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2026년 6월 16일 (화) 07:52 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

◇ 최종목표

가시광 영역에서 높은 수소 발생 효율과 우수한 안정성을 동시에 확보할 수 있는 Cd vacancy CdS/ZnO Z-scheme 이종접합 광촉매를 설계하고 합성 및 최적화를 진행하는 것을 최종 목표로 한다. ZnO에 CdS를 chemical bath deposition을 통해 성장시킬 때 Cd vacancy를 도입하여 전자 구조를 조절하고 활성 사이트를 증가시키며 두 물질 간 강한 계면(interface)를 형성한다. 이를 통해 Z-scheme 구조로 전하 이동 메커니즘을 유도하여 전자와 정공의 재결합을 억제하고 높은 산화 능력과 환원 능력을 동시에 유지하는 광촉매 시스템을 구현하고자 한다. 또한 결함 형성 조건, CdS loading 비율, 반응 시간 등 다양한 합성 변수를 정밀하게 제어하여 광흡수 범위 확장과 전하 이동 효율 향상을 동시에 달성하고, 최적 조건에서의 수소 생산 성능을 극대화하는 것을 목표로 한다.

Fig 4. CdS/ZnO 메커니즘

◇ 연구 내용

1. Z-scheme 구조의 이종접합

광촉매를 이용한 수소 생산은 반도체가 빛 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하고 이들이 각각 환원 반응과 산화 반응에 참여함으로써 이루어진다. Conduction band의 전자는 수소 이온을 환원하여 수소 가스를 생성하고 Valence band의 정공은 물을 산화하여 산소를 생성한다. 이때 광촉매의 성능은 밴드 구조에 크게 의존하며, Conduction band의 위치는 수소 발생 반응(HER)에 필요한 환원 전위보다 높아야 하고 Valence band의 위치는 물 산화 반응(OER)에 필요한 산화 전위보다 낮아야 한다. ZnO는 안정성과 산화 능력이 우수하지만 가시광 흡수 능력이 제한적이며, CdS는 가시광 흡수와 환원 능력이 우수하지만 광부식 문제가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 CdS에 결함을 도입하여 전자 이동을 촉진하고, ZnO와의 이종접합을 통해 전하 분리 효율을 향상시키고자 한다. 특히 Z-scheme 구조에서는 두 반도체에서 생성된 전하 중 일부가 계면에서 선택적으로 재결합하고, ZnO의 전자와 CdS 정공이 만나 강한 환원력과 산화력을 동시에 확보할 수 있다. 따라서 전하 분리 속도의 향상과 CdS의 광부식을 보호하는 가시광 기반 고효율 수소 생산 광촉매 시스템을 구축하고, 광촉매 성능 향상의 메커니즘을 규명하고자 한다.

2. Defect of CdS : Cd vacancy

광촉매를 이용한 수소 생산에서 CdS는 가시광 영역에서 우수한 광흡수 특성과 적절한 전도대 위치를 가지므로 수소 발생 반응에 유리한 반도체로 널리 활용되고 있다. 그러나 광생성 전자와 정공의 빠른 재결합으로 광촉매 효율이 제한되고 광부식(photocorrosion) 문제로 인해 매우 낮은 재사용성을 보이는 단점을 가진다. 이를 개선하기 위한 방법으로 결함 공학(defect engineering)이 제시되며, 특히 Cd vacancy의 도입이 효과적인 전략으로 보고되고 있다. Cd vacancy는 CdS 내부에 결함 준위를 형성하여 전자 구조를 조절하고 광생성 전자와 정공의 재결합을 억제하는 역할을 한다. 또한 결함에 의해 형성된 내부 전기장은 전하 분리 효율을 향상시키고 전자의 이동을 촉진하여 광촉매 반응에 참여할 수 있는 전하의 수를 증가시킨다. 이를 통해 전하 전달 저항이 감소하고 수소 발생 반응에 필요한 전자 공급이 원활하게 이루어진다. 또한 Cd vacancy는 CdS의 밴드 구조를 변화시켜 밴드갭을 감소시키고 가시광 영역에서의 광흡수 범위를 확장한다. 더불어 전도대 위치를 보다 음전위 방향으로 이동시켜 광생성 전자의 환원 능력을 향상시키며, 수소 발생 반응(H⁺ → H₂)에 필요한 전자를 더욱 효과적으로 제공할 수 있도록 한다. 이러한 특성은 광촉매 수소 생산 성능 향상에 직접적으로 기여한다. 그러나 Cd vacancy 역시 과도하게 형성될 경우 과잉 결함이 전하 재결합 중심으로 작용하여 오히려 광촉매 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 Cd vacancy 농도를 적절히 제어하는 것이 중요하며, 본 연구에서는 Cd vacancy가 도입된 CdS와 ZnO를 Z-scheme 이종접합 구조로 결합하여 전하 분리 효율과 광촉매 수소 생산 성능을 동시에 향상시키고자 한다.

◇ 기대 효과

본 연구를 통해 ZnO와 결함이 도입된 CdS를 결합한 Z-scheme 이종접합 광촉매가 성공적으로 개발될 경우, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다. 먼저 기술적 측면에서 ZnO와 Cd vacancy를 도입한 CdS의 가시광 응답 특성을 결합함으로써, 향상된 광흡수 능력과 효율적인 전하 분리 특성을 동시에 확보할 수 있다. 특히 ZnO/ZnCdS 계면에서 형성되는 Z-scheme 전하 이동 구조는 전자-정공 재결합을 억제하고 높은 산화·환원 능력을 유지할 수 있어, 고효율 수소 생산 광촉매 설계에 중요한 기반을 제공한다. 환경 및 산업적 측면에서 태양광 기반 수소 생산 기술은 화석연료 의존도를 줄이고 온실가스 배출 저감에 기여할 수 있으며, 친환경 에너지 전환을 가속화할 수 있다. 또한 ZnO/ZnCdS 기반 고효율 광촉매 기술은 차세대 그린수소 생산 기술로서 에너지 산업 전반에 활용 가능하며, 미래 수소 경제에서 기술적 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것으로 기대된다.

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

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특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 목표 및 내용====
-내용
+◇ 최종목표
+가시광 영역에서 높은 수소 발생 효율과 우수한 안정성을 동시에 확보할 수 있는 Cd vacancy CdS/ZnO Z-scheme 이종접합 광촉매를 설계하고 합성 및 최적화를 진행하는 것을 최종 목표로 한다.
+ZnO에 CdS를 chemical bath deposition을 통해 성장시킬 때 Cd vacancy를 도입하여 전자 구조를 조절하고 활성 사이트를 증가시키며 두 물질 간 강한 계면(interface)를 형성한다. 이를 통해 Z-scheme 구조로 전하 이동 메커니즘을 유도하여 전자와 정공의 재결합을 억제하고 높은 산화 능력과 환원 능력을 동시에 유지하는 광촉매 시스템을 구현하고자 한다.
+또한 결함 형성 조건, CdS loading 비율, 반응 시간 등 다양한 합성 변수를 정밀하게 제어하여 광흡수 범위 확장과 전하 이동 효율 향상을 동시에 달성하고, 최적 조건에서의 수소 생산 성능을 극대화하는 것을 목표로 한다.
+[[파일:H2-GO_Fig1.jpeg|600픽셀|섬네일|가운데|Fig 4. CdS/ZnO 메커니즘]]
+◇ 연구 내용
+. Z-scheme 구조의 이종접합
+광촉매를 이용한 수소 생산은 반도체가 빛 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하고 이들이 각각 환원 반응과 산화 반응에 참여함으로써 이루어진다.
+Conduction band의 전자는 수소 이온을 환원하여 수소 가스를 생성하고 Valence band의 정공은 물을 산화하여 산소를 생성한다. 이때 광촉매의 성능은 밴드 구조에 크게 의존하며, Conduction band의 위치는 수소 발생 반응(HER)에 필요한 환원 전위보다 높아야 하고 Valence band의 위치는 물 산화 반응(OER)에 필요한 산화 전위보다 낮아야 한다.
+ZnO는 안정성과 산화 능력이 우수하지만 가시광 흡수 능력이 제한적이며, CdS는 가시광 흡수와 환원 능력이 우수하지만 광부식 문제가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 CdS에 결함을 도입하여 전자 이동을 촉진하고, ZnO와의 이종접합을 통해 전하 분리 효율을 향상시키고자 한다.
+특히 Z-scheme 구조에서는 두 반도체에서 생성된 전하 중 일부가 계면에서 선택적으로 재결합하고, ZnO의 전자와 CdS 정공이 만나 강한 환원력과 산화력을 동시에 확보할 수 있다. 따라서 전하 분리 속도의 향상과 CdS의 광부식을 보호하는 가시광 기반 고효율 수소 생산 광촉매 시스템을 구축하고, 광촉매 성능 향상의 메커니즘을 규명하고자 한다.
+. Defect of CdS : Cd vacancy
+광촉매를 이용한 수소 생산에서 CdS는 가시광 영역에서 우수한 광흡수 특성과 적절한 전도대 위치를 가지므로 수소 발생 반응에 유리한 반도체로 널리 활용되고 있다. 그러나 광생성 전자와 정공의 빠른 재결합으로 광촉매 효율이 제한되고 광부식(photocorrosion) 문제로 인해 매우 낮은 재사용성을 보이는 단점을 가진다. 이를 개선하기 위한 방법으로 결함 공학(defect engineering)이 제시되며, 특히 Cd vacancy의 도입이 효과적인 전략으로 보고되고 있다.
+Cd vacancy는 CdS 내부에 결함 준위를 형성하여 전자 구조를 조절하고 광생성 전자와 정공의 재결합을 억제하는 역할을 한다. 또한 결함에 의해 형성된 내부 전기장은 전하 분리 효율을 향상시키고 전자의 이동을 촉진하여 광촉매 반응에 참여할 수 있는 전하의 수를 증가시킨다. 이를 통해 전하 전달 저항이 감소하고 수소 발생 반응에 필요한 전자 공급이 원활하게 이루어진다.
+또한 Cd vacancy는 CdS의 밴드 구조를 변화시켜 밴드갭을 감소시키고 가시광 영역에서의 광흡수 범위를 확장한다. 더불어 전도대 위치를 보다 음전위 방향으로 이동시켜 광생성 전자의 환원 능력을 향상시키며, 수소 발생 반응(H⁺ → H₂)에 필요한 전자를 더욱 효과적으로 제공할 수 있도록 한다. 이러한 특성은 광촉매 수소 생산 성능 향상에 직접적으로 기여한다.
+그러나 Cd vacancy 역시 과도하게 형성될 경우 과잉 결함이 전하 재결합 중심으로 작용하여 오히려 광촉매 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 Cd vacancy 농도를 적절히 제어하는 것이 중요하며, 본 연구에서는 Cd vacancy가 도입된 CdS와 ZnO를 Z-scheme 이종접합 구조로 결합하여 전하 분리 효율과 광촉매 수소 생산 성능을 동시에 향상시키고자 한다.
+◇ 기대 효과
+본 연구를 통해 ZnO와 결함이 도입된 CdS를 결합한 Z-scheme 이종접합 광촉매가 성공적으로 개발될 경우, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
+먼저 기술적 측면에서 ZnO와 Cd vacancy를 도입한 CdS의 가시광 응답 특성을 결합함으로써, 향상된 광흡수 능력과 효율적인 전하 분리 특성을 동시에 확보할 수 있다. 특히 ZnO/ZnCdS 계면에서 형성되는 Z-scheme 전하 이동 구조는 전자-정공 재결합을 억제하고 높은 산화·환원 능력을 유지할 수 있어, 고효율 수소 생산 광촉매 설계에 중요한 기반을 제공한다.
+환경 및 산업적 측면에서 태양광 기반 수소 생산 기술은 화석연료 의존도를 줄이고 온실가스 배출 저감에 기여할 수 있으며, 친환경 에너지 전환을 가속화할 수 있다. 또한 ZnO/ZnCdS 기반 고효율 광촉매 기술은 차세대 그린수소 생산 기술로서 에너지 산업 전반에 활용 가능하며, 미래 수소 경제에서 기술적 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것으로 기대된다.
 ===관련 기술의 현황===