촉촉하고광이나조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : ZnS 계열 광촉매의 태양광 물 분해 수소 생산 효율 개발 현황

영문 : Improvement of production efficiency of solar water-decomposed hydrogen through ZnS based photocatalyst

과제 팀명

촉촉하고광이나조

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 박*진(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 박*정

서울시립대학교 환경공학부 20168750** 최*주

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ Zn1-xCuxS/Zn1-xCuxO 복합구조 광촉매를 합성하여 태양광 물 분해 수소생산 효율을 증가시킨다.

◇ Core-shell 구조를 도입하여 재결합 현상을 억제시키고, 촉매의 안정성을 향상시켜 수소생산 효율을 증가시킨다.

개발 과제의 배경

◇ 화석 연료를 대체할 차세대 에너지원으로 태양에너지 개발 필요성이 증가하고 있다.

◇ 태양에너지는 무한한 에너지원으로 에너지 자원의 유한함과 지역적 한계에서 벗어날 수 있다.

◇ 우리나라의 경우, 높은 에너지 수입 의존 문제점을 해결할 수 있다.

◇ 현재 태양광 에너지를 활용한 수소생산 기술은 상용화에 어려움이 있다.

◇ 광전기화학적 방법의 경우, 고가의 광전극 제조 가격과 광전극 부식 현상으로 인해 한계가 있다.

◇ 광화학적 방법의 경우, 상대적으로 저렴하고 친환경적이며 유기물 분해, 코팅 등 다양한 영역에서 사용이 가능하다.

◇ 광촉매로 사용되는 구리산화물은 광범위하게 존재하는 재료로 경제적으로 저렴하고, 환경적인 유해성도 적다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ One-step method를 통해 Zn1-xCuxS solid solution을 간편하게 합성한다.

◇ Hydrothermal method를 통해 균일한 형상을 가지는 Zn1-xCuxS를 합성한다.

◇ 추가적인 산화제 첨가 없이 열처리를 통해 Zn1-xCuxS/Zn1-xCuxO core-shell 구조를 형성한다.

◇ Zn1-xCuxS/Zn1-xCuxO 복합구조 광촉매를 통해 광여기된 전자-정공을 분리하여 재결합 현상을 억제시킨다.

◇ Core-shell 구조를 도입하여 촉매의 안정성을 향상시킨다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 태양광 물 분해 수소생산에 사용될 수 있는 광촉매로 기존 연구에서는 ZnS에 CdS, g-C3N4와 같은 반도체를 접합시켜 복합구조를 합성한 후 광촉매로 사용하였다.

◇ 기존 연구에서는 ZnS와 CuS를 함께 사용할 경우, ionic reaction을 이용해서 ZnS nanoparticle을 합성한 후 조촉매로 CuS를 순차적으로 접합시켜 물 분해 수소 생산에 활용하거나 Zn1-xCuxS를 합성하여 유기물 광분해 반응에 활용하였다.

◇ 기존 연구에서는 ZnS나 CuS을 ZnO나 Cu2O, CuO로 산화시킬 때 대기조건에서 열처리를 하거나 산화제를 이용하였다.

◇ ZnO-ZnS 복합구조 광촉매를 합성하여 물 분해 수소생산용 촉매로 사용한 경우에는 ZnS를 합성한 후 열처리 산화 공정을 거쳐 ZnS-ZnO를 core-shell 구조로 합성하거나 ZnO를 합성한 후 ionic reaction을 이용해서 CuS를 접합시키고 이후에 복합체를 열처리하여 ZnO/Cu2O/CuO로 합성하였다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 열처리를 이용한 ZnS-ZnO 복합체 형성 방법 및 그에 의해 제조되는 ZnS-ZnO 복합체

본 발명은 열처리를 이용한 ZnS-ZnO 복합체 형성 방법 및 그에 의해 제조되는 열처리를 이용한 ZnS-ZnO 복합체에 관한 것으로, 본 발명에 따른 열처리를 이용한 ZnS-ZnO 복합체 형성 방법은, ZnS를 이온성 반응에 의해 합성하는 단계; 상기 ZnS의 일부를 열처리에 의하여 산화시켜 ZnO를 합성하는 단계; 및 상기 ZnS와 상기 ZnS의 합성 비율을 산소 분압을 통해 조절하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면 ZnS를 우선적으로 합성한 후, 열처리에 의하여 ZnS-ZnO 복합체를 합성하는 과정에서 열처리 온도는 고정하고 산소 분압을 조절하여 형성된 ZnS와 ZnO의 상대 비율을 세밀하게 조절 가능한 효과가 있다.

◇ 복합 광촉매 및 그의 제조방법

본 발명은 금속 산화물 및 금속 산화물 상에 형성된 비결정성(amorphous) 전이금속 옥시나이트라이드 박막을 포함하는 복합 광촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 이에 의하여, 본 발명의 복합 광촉매는 낮은 온도에서 제조될 수 있으며, 또한 금속 산화물을 도핑하여 가시광으로의 흡수 영역을 넓히면서도, 원래의 자외선 영역에서의 효율을 감소시키지 않으면서 물분해 등에 사용되어 결과적으로 수소 제조의 효율을 향상시킬 수 있다.

◇ 물 분해용 광촉매 및 이를 이용한 수소의 제조방법

본 발명은 물 분해용 광촉매 및 이를 이용한 수소의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광촉매는 전이금속(M)이 도핑된 질화 탄탈럼과 상기 질화 탄탈럼을 둘러싸고, 전도성 고분자를 포함하는 코팅층을 포함하는 구성을 가짐으로써 인체에 무해하고 촉매의 안정성이 뛰어나다. 뿐만 아니라 가시광에 대한 광학 활성이 우수하고, 광 조사로 인해 들뜬 전자와 정공의 재결합이 억제되어 물 분해 효율이 높다. 이를 이용하여 물 분해(water splitting)를 수행할 경우 가시광 조건 하에서 수소(H2)를 높은 수율로 제조할 수 있는 이점이 있다.

• 특허 전략

◇ 이번 연구에서는 ZnS나 CuS을 ZnO나 Cu2O, CuO로 산화시킬 때 대기 조건과 다르게 질소와 산소 조성을 조절하여 열처리를 수행하여, 추가적인 산화제의 첨가 없이 산화물의 생성 정도를 미세하게 조절한다.

◇ 이번 연구에서는 one-step으로 Zn1-xCuxS solid solution을 간편하게 합성하여 합성 시간을 단축시킨다.

◇ 이번 연구에서는 Zn1-xCuxS/Zn1-xCuxO core-shell 형태 복합구조 광촉매를 합성하여 수소 생산 효율을 증대시킨다.

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 물 분해 수소생산 효율을 극대화하여 상업적 적용 가능성이 미미한 것을 극복할 수 있다.

◇ 물 분해반응 외에도 유기물 분해, 이산화탄소 감쇄 등의 친환경 소재 분야에 활용할 수 있다.

◇ 염료의 코팅 강화 등 다양한 산업 분야에 활용할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 태양에너지는 무한한 에너지원으로 에너지 자원의 유한함과 지역적 한계에서 벗어날 수 있다.

◇ 우리나라의 경우, 높은 에너지 수입 의존 문제점을 해결할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 박미정 : 촉매 제작 및 합성한 촉매의 전기화학적 특성 분석

◇ 박수진 : 실험 계획 수립 및 변수에 따른 촉매 합성 및 수소 생산 효율 관찰

◇ 최효주 : 변수에 따른 촉매 합성 및 합성한 촉매의 광학적, 표면적 특성 분석

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용