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2026년 6월 16일 (화) 07:49 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : Z-scheme 구조 Cd 결함 도입 ZnO/CdS 이종접합 광촉매의 수소 생산 능력 향상

영문 : Z-scheme Cd-vacancy ZnO/CdS photocatalyst hydrogen production

과제 팀명

H2-GO

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2026년 3월 ~ 2026년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 최*수(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20223400** 박*민

서울시립대학교 화학공학과 20223400** 이*주

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 태양광을 활용한 친환경 수소 생산 기술에 대한 요구가 증가함에 따라 고효율 광촉매 개발의 필요성이 증가하고 있다.

◇ ZnO를 합성한 후 CdS 합성 시에 결함(defect)을 도입함으로써 전자 구조 및 광흡수 특성을 조절하여 이종접합을 형성한다.

◇ 형성 조건(결함 형성 조건, 반응 온도 및 시간 등)을 최적화하여 Z-scheme 구조로 전하 이동을 유도하고 전자-정공 재결합을 억제함으로써 수소 발생 성능을 향상시킨다.

◇ UV-vis spectroscopy, Raman-PL 측정 등 다양한 분석을 통해 광촉매의 구조적 특성과 전하 이동 메커니즘을 규명한다.

개발 과제의 배경

◇ 세계적인 탄소중립 사회

최근 화석연료의 사용으로 인한 이산화탄소 배출량은 지속적으로 증가하여 기후변화로 인류와 환경에 부정적인 영향을 미치는 원인이 되었다. 산업화가 진행되면서 기술이 발전하였지만, 이산화탄소의 농도는 꾸준히 증가해 지구 평균 기온이 상승하는 추세를 보이는 결과가 발생하였다. 현재 지구온난화 수준이 점점 높아지고 있는 상태가 되어 탄소 배출 저감은 필수적인 과제이다. 이에 따라 국제사회는 탄소중립선언을 하게 되었고 대한민국 또한 탄소중립 목표를 수립하고 온실가스 감축 정책을 추진하고 있다. 이러한 배경에서 친환경 에너지 기술의 확보는 국가 경쟁력과 직결되는 핵심 요소로 부상하고 있다.

Fig. 1 2030 국가 온실가스 감축목표. 탄소중립정책포털

◇ 차세대 에너지원으로서 수소 에너지

화석연료 기반 에너지 시스템은 연소 과정에서 온실가스를 배출해 환경 및 기후 문제의 원인이 되고 있다. 이를 대처하기 위한 친환경 에너지원으로 수소가 주목받고 있다. 수소는 청정 에너지원으로, 높은 에너지 밀도를 가지는 동시에 다양한 산업 문야에 적용 가능한 차세대 에너지원이다. 수소 생산 방식 중에서도 태양광을 이용한 물 분해 기술은 지속 가능한 그린수소 생산 방법으로 각광받고 있다.따라서 태양광을 이용하여 물을 효율적으로 분해하고 수소 생산 효율을 향상시키는 기술 개발이 중요한 연구 과제로 대두되고 있다.

◇ 광촉매 기반 수소 생산 기술

광촉매는 빛 에너지를 이용해 화학 반응을 유도하는 반도체 기반 소재로, 태양광을 화학에너지로 직접 전환할 수 있는 장점을 가진다. 광촉매 물 분해 반응에서는 반도체가 밴드갭 이상의 빛을 흡수하면 전자가 Conduction band로 이동한다. 이렇게 생성된 전자는 수소 발생 반응(HER)에, 정공은 산소 발생 반응(OER)에 참여한다. 이런 과정은 외부 에너지 없이 태양광과 물을 이용해 수소를 생산할 수 있다는 점에서 높은 잠재력을 가진다. 따라서 고효율 광촉매의 개발은 친환경 수소 생산 기술의 핵심 요소로 간주된다.

Fig. 2 수소 생산을 위한 이종접합 구조 광촉매의 전하 분리 모식도

◇ 이종접합 및 결함을 통한 광촉매 성능 향상

단일 반도체 광촉매는 전자와 정공의 빠른 재결합과 제한적인 가시광 흡수 범위 범위로 인해 성능 향상에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 서로 다른 반도체를 결합한 이종접합(heterojunction) 구조가 널리 연구 되고 있다. 이종접합은 서로 다른 밴드 구조를 가진 두 물질 간의 접합을 통해 내부 전기장을 형성하고, 전자와 정공의 분리를 촉진해 재결합을 억제하는 역할을 한다. 특히 Z-scheme 구조는 높은 산화력과 환원력을 동시에 유지할 수 있어 효율적인 광촉매 시스템으로 주목받고 있다. 반도체 내 결함(defect)을 도입해 CdS에 Cd vacancy를 가하는 것은 전자 구조를 조절하고 활성 사이트를 증가시키며, 밴드갭을 줄여 전하의 이동을 촉진하는 효과를 가진다. 본 연구에서는 ZnO와 카드뮴 결함이 도입된 CdS를 결합하여 Z-scheme 이종접합 구조를 형성함으로써, 전하 분리 효율을 향상시키고 광촉매 기반 수소 생산 성능을 극대화하고자 한다.

Fig. 3 다양한 반도체의 Conduction Band, Valence Band, Band Gap position

개발 과제의 목표 및 내용

내용

구성원 및 추진체계

내용

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

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 최근 화석연료의 사용으로 인한 이산화탄소 배출량은 지속적으로 증가하여 기후변화로 인류와 환경에 부정적인 영향을 미치는 원인이 되었다. 산업화가 진행되면서 기술이 발전하였지만, 이산화탄소의 농도는 꾸준히 증가해 지구 평균 기온이 상승하는 추세를 보이는 결과가 발생하였다.
 현재 지구온난화 수준이 점점 높아지고 있는 상태가 되어 탄소 배출 저감은 필수적인 과제이다. 이에 따라 국제사회는 탄소중립선언을 하게 되었고 대한민국 또한 탄소중립 목표를 수립하고 온실가스 감축 정책을 추진하고 있다. 이러한 배경에서 친환경 에너지 기술의 확보는 국가 경쟁력과 직결되는 핵심 요소로 부상하고 있다.
+[[파일:H2-GO_Fig1.jpeg|600픽셀|섬네일|가운데|Fig. 1 2030 국가 온실가스 감축목표. 탄소중립정책포털]]
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 광촉매 물 분해 반응에서는 반도체가 밴드갭 이상의 빛을 흡수하면 전자가 Conduction band로 이동한다. 이렇게 생성된 전자는 수소 발생 반응(HER)에, 정공은 산소 발생 반응(OER)에 참여한다. 이런 과정은 외부 에너지 없이 태양광과 물을 이용해 수소를 생산할 수 있다는 점에서 높은 잠재력을 가진다.
 따라서 고효율 광촉매의 개발은 친환경 수소 생산 기술의 핵심 요소로 간주된다.
+[[파일:H2-GO_Fig2.jpeg|600픽셀|섬네일|가운데|Fig. 2 수소 생산을 위한 이종접합 구조 광촉매의 전하 분리 모식도]]
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 반도체 내 결함(defect)을 도입해 CdS에 Cd vacancy를 가하는 것은 전자 구조를 조절하고 활성 사이트를 증가시키며, 밴드갭을 줄여 전하의 이동을 촉진하는 효과를 가진다.
 본 연구에서는 ZnO와 카드뮴 결함이 도입된 CdS를 결합하여 Z-scheme 이종접합 구조를 형성함으로써, 전하 분리 효율을 향상시키고 광촉매 기반 수소 생산 성능을 극대화하고자 한다.
+[[파일:H2-GO_Fig3.jpeg|600픽셀|섬네일|가운데|Fig. 3 다양한 반도체의 Conduction Band, Valence Band, Band Gap position]]
 ====개발 과제의 목표 및 내용====