"수소폭탄조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 9일 (월) 01:13 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : g-C3N4/Cu2O/CuO 광촉매의 Z-scheme을 통한 광활성 전자 증대를 통한 물로부터의 수소생산

영문 : Enhancing photoactive electrons in Z-scheme assisted g-C3N4/Cu2O/CuO photocatalysts for reductive water splitting to hydrogen

과제 팀명

수소폭탄

지도교수

김정현 교수님, 문홍철 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 강**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 띠 간격이 작은 반도체 성질의 새로운 물질을 발견하고 광촉매의 효율을 높인다.

◇ 수소 생산 효율을 가장 좋게 하는 Cu2O/CuO비율로 산화를 시킬 수 있는 산소의 농도와 CuS 함량 조건을 찾는다.

◇ g-C3N4/Cu2O/CuO 복합체가 어떤 방식으로 광촉매로서의 역할을 하는지 원리를 탐구한다.

◇ 수소 생산량 목표를 3000µmol/h∙g로 잡아 기존의 광촉매보다 높은 효율을 얻는다.

◇ 3회 이상 반복 실험 후에도 효율을 유지한다.

개발 과제의 배경

21세기에 들어서 우리는 환경오염과 에너지 자원의 고갈에 대한 문제에 직면해있다. 때문에 전 세계인들의 관심은 친환경을 향하고 있다. 그 중 가장 큰 문제는 막대한 화석연료 사용량이다. 환경학자들이 석탄과 석유사용에 대한 문제점을 지속적으로 지적해왔다. 정부차원에서는 대비책으로 신에너지 개발에 관심을 기울이고는 있지만, 이렇다 할 큰 진전은 없는 실정이다. 석유에 대한 사용량과 의존도는 증가하지만 신에너지의 개발속도는 아직 미흡한 수준인 것이다.

에너지관리공단에 따르면, 우리나라의 화석 연료 의존율은 80%를 넘는 매우 높은 의존도를 보이고 있다. 또한, 2018년 11월 기준 국내에 공급된 에너지의 에너지원 94.0%가 해외 수입에 의존하고 있어 국내 생산 에너지는 전체 에너지의 10%도 채 되지 않는 상황이다. 또한 석유와 석탄에 대한 해외 수입 의존도를 생각해볼 때, 신재생에너지의 생산비율은 매우 작은 편이다.

뿐만 아니라 매장된 화석 연료 중 석유의 경우는 약 40~50년 이내에 고갈될 것으로 예측되고 있다. 또한 화석 연료 사용은 연소 후 유해물질 발생 및 이산화탄소 배출로 지구온난화 등 인한 심각한 환경문제를 야기한다. 현 세대들이 4차 산업혁명을 이루기 위해서는 충분한 양의 에너지가 안정적이고 효율적으로 공급되어야 한다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 환경 규약이 점점 커지고 있다. 그러므로 전통적인 석유나 원전 에너지에 의존하지 않는 신재생에너지 시스템으로 전환해야 할 필요성이 커지고 있다. 세계적으로 화석연료를 대체할 수소와 같은 차세대 에너지에 대한 관심도가 급증하고 있는 것이다.

이러한 글로벌 경향에 따라 국내에서도 재생에너지 활용 비중을 2030년까지 20%로 높인다는 계획을 추진하고 있다. 그러나 이와 같은 새로운 공급 방식이 산업계와 민간 영역에서 요구하는 수준의 에너지를 충분히 공급하기에는 한계가 있다. 현재 에너지 업계는 장기적으로 지금보다 더 많은 양의 에너지를 친환경적으로 공급해야 한다는 딜레마를 갖고 있다. 그렇다면 이제 우리는 석유 자원을 대체하면서도 친환경적이고, 더욱 큰 에너지효율을 가지는 에너지원이 무엇인지에 주목하게 된다. 그것이 바로 수소 에너지이다.

수소 1kg을 산소와 결합하면 3만 5천 kcal의 에너지가 방출되는데 이것은 프로판, 부탄, 휘발유, 등유 등과 비교하면 3배에 가까운 에너지이다. 이 점에서 수소 산업은 에너지 업계의 딜레마를 해결할 수 있는 좋은 방안이다. 그리고 이 관점에서 효율적인 수소생산을 위해 제안된 연구가 바로 ‘광촉매’이다. 광촉매를 통해 태양에너지를 화학에너지로 바꾸고, 결과적으로 수소를 생산해낼 수 있는 친환경에너지 개발의 길이 열린 것이다.

물 분해를 위한 광촉매로는 전이금속 물질들이 기본적으로 쓰이고 있으며 대표적인 물질로는 이산화티타늄(TiO2)나 ZnS, CuS와 같은 금속 황화물(metal sulfide)계열의 물질들이 있다. 가시광선 영역의 에너지를 사용하려면 띠 간격이 3 eV 이내의 에너지가 필요하다. 그러나 대부분의 물질들이 띠 간격이 크기 때문에 활성이 가능한 빛의 파장이 자외선 영역대로 제한된다. 예를 들어 이산화티타늄의 경우, 띠 간격이 3.2 eV로 상당히 큰 값을 가지고 있다. 가시광선이 전체 태양광 중에서 50%를 차지하고 있는데 자외선의 비율이 4%라는 것을 생각하면 상당히 비효율적이다. 또한 띠 간격이 작은 단일 물질로 광촉매를 구성할 경우, 에너지를 받아 분리가 된 전자와 정공의 재결합(photo-recombination)이 쉽게 일어나게 되어 활성 전의 촉매 상태로 돌아가게 되므로 촉매로서의 기능을 완전히 발휘할 수 없다. 요약하자면, 광촉매 자체가 가지고 있는 사용상의 제약조건과, 광촉매가 기능하는 과정에서 내재되어 있는 문제 두 가지가 현재 물 분해를 이용한 광촉매 기술사용에 있어 큰 난점이 되고 있다. 이러한 난점을 해결하는 것이 이번 연구의 핵심 과제이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ g-C3N4 nano sheet type 중 가장 비표면적이 높은 종류를 선정

◇ 가시광선 영역의 흡수율을 높이는 광촉매 구조 제안

◇ 복합 광촉매의 밴드갭 구조 분석과 재결합 방지에 미치는 영향 탐구

◇ 우수한 수소 생산성을 가지는 최적의 비율을 선정(산소 분압, CuS 함량)

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

내용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 실제 태양광 하에서 물 분해 수소생산 효율을 극대화하여 산업적 응용이 불가능한 것을 극복할 수 있다.

◇ 수소 생산 외에도 유기물 분해 등의 친환경적 분야에도 응용이 가능할 것으로 보인다. 현재 광촉매 유기물 분해 연구는 미세먼지와 대기오염물질 분해 기능을 할 수 있으며, 해당 기능을 하는 제품으로는 페인트 와 공기청정기로 상용화되어 있는 단계이다.

◇ 예를 들어 천안시의 발표에 따르면 광촉매 공기정화의 경우 질소산화물 저감 효과에 대한 실험실 평가 결과, 약 20분 정도 경과한 후 질소산화물이 42.8%의 감축효과를 보인 것으로 나타났다. 이처럼 광촉매는 실제 환경에 대입되어 효과를 거둘 정도로 기술적 발전을 이룬 단계이며 이후 지속적인 개선을 통해서 기술적 응용이 다양하게 나타날 것으로 예측된다.

◇그 뿐만 아니라 염료 등의 코팅 강화에도 사용 될 수있다.

◇광촉매 제조 시 기존 g-C3N4, Cu2O 합성 과정에 비해 생산 과정을 간소화한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 물과 태양광은 지구 어디든 존재하기 때문에 화석연료 매장의 지역적 한계를 벗어날 수 있다.

◇ 우리나라의 경우, 높은 해외 에너지 수입 의존도를 낮출 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

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

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용