UOS127

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 00000000..

영문 : 00000000..

과제 팀명

UOS127

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2017340018 박채린(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2017340013 류은정

서울시립대학교 화학공학과 2017340026 우남영

서울시립대학교 화학공학과 2012340022 우제원

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

환경오염으로 인해 신재생 에너지가 주목받고 있는 현재, 태양에너지는 우리나라의 주력 에너지로 꼽히고 있다. 다만 에너지 전환 효율이 낮다는 단점이 있는데 이를 해결하기 위해 PEC performance의 향상에 대한 연구가 진행되고 있다.

이전의 연구에서 heterojunction을 통해 charge separation과 mobility를 증진시켜 PEC performance를 향상시킴을 입증한 바 있다. 이번 연구에서는 더 나아가 doping 및 porous structure 형성을 통해 기존에 흔히 사용되는 광촉매의 단점을 보완하고 이를 접목한 새로운 방식의 합성법을 통해 더 나은 효율의 photoanode를 제작하여 최종적으로 PEC performance를 향상시킴으로써 태양에너지의 낮은 에너지 전환효율이라는 문제점을 해결하는데 기여하고자 한다.

개발 과제의 배경

화석연료 사용량 증대로 인한 에너지 자원의 고갈과 환경오염의 문제로 인해 신재생 에너지가 주목받고 있다. 그 중에서도 태양에너지는 신재생 에너지 점유율이 낮은 우리나라에서도 활발히 이용되고 있는 주력 재생 에너지 중 하나라 볼 수 있는데, 에너지 전환 효율이 낮다는 단점이 있다. 이를 보완할 방법이 바로 PEC(Photoelectrochemical cell)이다.

PEC는 광촉매 재료를 이용하여 제작되는데, 이러한 PEC가 태양광을 통해 에너지를 생성하는 메커니즘은 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째, light harvesting 단계이다. 이는 PEC로 빛이 조사되는 단계로, 표면 형태와 광촉매의 구조에 큰 영향을 받는다. Photoanode 제작 시 hierarchical macroporous 혹은 mesoporous architecture를 형성하게 된다면 조사된 빛을 산란시켜 light harvesting을 크게 향상시킬 수 있다. 두 번째, charge excitation과 carriage separation, transfer이다. narrow band gap을 가진 물체일수록 낮은 에너지로도 charge excitation이 가능하다. 따라서 효율을 높이기 위해선 band gap을 낮추어야 하고 분리된 전하가 서로 결합하는 비율이 낮아야 한다. 마지막으로 표면 반응이다. 표면 반응은 에너지가 충분해 재결합 없이 이동해 산화, 환원 반응이 일어나는 것으로 산화 환원 potential이 CB와 VB값보다 더 양값이거나 음값일 때 가능하다.

이러한 조건에 비추어 보았을 때 photoanode로 쓸 수 있는 반도체 물질에는 TiO₂, WO₃, Fe₂O₃, BiVO₄ 등이 있는데 그 중 BiVO₄는 지구상에 풍부하여 값이 저렴하고 OER(Oxygen Evolution Reaction)에 적합한 band position과 narrow band gap을 지녀 PEC 합성에 적절한 광촉매재료로 알려져 있다. 그러나 low charge separation & charge transfer efficiency, poor electron conductivity와 같은 단점으로 인해 narrow band gap을 가지고 있음에도 불구하고 그에 걸맞은 성능을 충분히 보여주지 못한다는 문제가 있다. 이러한 BiVO₄ photoanode를 이용한 PEC의 성능 향상 문제는 지속적으로 연구되어오고 잇다.

그동안에는 BiVO₄를 고효율로 이용하기 위해 주로 다른물질과 heterojunction을 통해 복합체를 구축하는 방식을 택해왔다. 비교적 최근에는 doping을 통해 conductivity를 향상시키거나, porous nanostructure를 형성하여 diffusion length를 낮춤으로써 재결합을 억제하는 방식 등 BiVO₄ 자체의 효율을 증진하는 방식이 연구되고 있는데, 그 효과가 개선되지 않은 다른 요소로 인해 BiVO₄ 단층에서는 미약하게 작용하였고, 결국 앞선 연구에서처럼 charge separation과 mobility를 증진시키도록 적절한 광촉매재료 선정하여 heterojunction을 통해 PEC performance를 향상시키는 방식으로 위의 궁극적인 문제점을 해결할 수밖에 없었다.

이번에는 BiVO₄에 초점을 두어 BiVO₄의 효율을 끌어올릴 수 있는 방식에 대해 연구해보고자 한다. 기존의 결과를 바탕으로 Photoanode 제작 시 doping과 porous structure를 접목시키도록 한다. 이를 위한 새로운 방식의 합성법이 제시될 것이며, 기존의 BiVO₄ photoanode보다 향상된 효율의 photoanode를 선보일 것이다. 이를 통해 더 향상된 performance를 보이는 PEC 제작하여 최종적으로 문제 해결에 기여하고자 한다.

광촉매를 이용하여 제작되는 PEC는 태양에너지를 기반으로 하여 에너지를 생산하기 때문에 PEC performance 향상에 대한 연구는 태양에너지의 근본적인 문제인 낮은 에너지 전환 효율에 기여를 하게 될 것이며, 이는 우리나라의 에너지자원 부족 문제에 해결책이 될 것이다.

또한 이번 연구의 핵심인 광촉매를 이용한 물 분해 과정에서 부산물로 수소 기체가 생성된다. PEC performance의 향상으로 이뤄낸 에너지 생산 기술의 발전은 곧 수소생산기술의 발전으로 이어질 것이며, 광촉매가 풍부한 자원이라는 장점이 더해져 수소의 대량 생산이 가능해질 것이다. 이는 수소를 이용한 산업 전반에 활용 가능할 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

대한민국에서 이용 가능한 신재생에너지 중 비중이 가장 큰 태양에너지는 에너지 전환 효율이 낮다는 문제점이 있다. 이에 대한 해결 방안으로 광촉매를 이용한 PEC 개발 연구가 주목받고 있다. 이전의 연구를 통해 heterojunction을 통한 narrow band gap의 형성과 passivation layer의 증착이 PEC performance를 향상시킴을 알 수 있었다.

본 연구에서는 더 나아가 빛 조사 과정에서의 light harvesting을 높이고자 한다. 적절한 광촉매 물질 선정과 기존 물질에 대한 증착방식의 변경으로 형성된 porous structure을 통해 빛을 산란시켜 light harvesting을 높이고, 최종적으로 PEC performance 향상시키는 것을 목표로 한다.

가장 먼저 porous structure를 형성할 수 있는 광촉매 물질에 대해 조사한 후, 기존의 광촉매와의 비교를 통해 porous structure의 효과를 확인하도록 한다. 마찬가지로 기존의 BiVO₄와 doping된 BiVO₄의 성능 분석을 통해 doping의 효과 또한 입증하도록 한다. 이후 doping된 BiVO₄를 이용하여 porous structure를 형성할 수 있도록 증착 방식에 대한 연구를 진행하고 결과물에 대한 PEC performance 평가를 통해 고효율의 BiVO₄ photoanode를 형성하였음을 입증하도록 한다.

PEC performance는 크게 특성 분석과 photoelectrochemical measurements 2단계를 거쳐 평가된다.

먼저 합성된 photoanode의 구조 및 특성 확인을 위해 FE-SEM, TEM 분석을 진행한다. 이러한 특성 분석을 통해 photoanode의 porous structure 형성 및 층의 형태와 두께, 결정 구조, 표면의 원소 조성과 화학 결합의 상태 등을 확인할 것이다.

PEC performance를 평가하는데 있어서 중요한 요인으로 charge separation, charge mobility, photostability 등이 있다. 이를 바탕으로 photoelectrochemical 측정을 통해 PEC performance를 평가한다. 측정에는 Solar simulator와 three-electrode potentiostatic workstation를 사용하며 이를 통해 LSV, Chronoamperometry, IPCE, Nyquist plots 등의 데이터를 얻을 수 있다. 이번 연구에서는 porous structure 유무에 따른 데이터를 비교함으로써 porous structure가 light harvesting 향상에 기여하는지 확인하고, 최종적으로 PEC performance에 대한 평가를 할 예정이다.

관련 기술의 현황 및 분석

관련 기술의 현황(State of art)

현재 우리나라에서 태양에너지와 같은 무한한 에너지원을 이용한 신재생 에너지 기술에는 대표적으로 태양전지를 이용한 전기에너지 생산과 광화학적 수소 제조 기술이 있다. 이 중 광화학적 수소 제조 기술의 경우 크게 입자 형태의 광촉매를 이용하는 기술과 광촉매를 통해 제작된 PEC를 이용하는 방법 두 가지로 나뉘는데, 최근에는 고효율의 PEC 개발에 대한 연구가 주목받고 있는 추세이다.

PEC performance의 향상에 대한 연구는 PEC의 에너지 생성 메커니즘과 연관 지을 수 있다. 그 중 빛의 흡수 및 전자 정공의 분리 단계에서의 효율 촉진을 위한 연구가 가장 대표적인데, 핵심은 광촉매이다. PEC photoelectrode에 사용되는 광촉매를 통해 빛이 조사되고 전자 정공 분리가 이루어지기 때문에 적절한 광촉매의 선정이 고효율 PEC의 생산으로 이어지게 된다.

소재 측면에서는 광변환 효율을 높이기 위한 연구가 대부분이며, 특히 TiO₂, WO₃, Fe₂O₃, BiVO₄ 와 같은 금속산화물을 이용한 PEC photoelectrode 연구가 주를 이루고 있다. 이 밖에도 산화물 막에 다른 원소를 치환하거나 형상 변경, 다층막 등을 구성하는 방법에 대한 특허와 논문이 발표되고 있다. 최근에는 화합물 반도체에 대한 연구 또한 활발하게 이루어지고 있다.

모든 연구가 소재 측면에서만 진행되는 것은 아니다. 공정 기술 측면에서도 연구는 진행되었다. 외부인가형 타입인 염다리, 이온전도막 등으로 양극과 음극이 분리되는 PEC에 대한 연구가 있었으나, 최근 pn 접합형 내부전위 인가형 PEC에 대한 특허 및 논문이 공개되고 있다.

하지만 가장 효율을 증대시킬 수 있는 방법은 역시 소재 측면에서의 연구라 볼 수 있다. 소재 선정 시 낮은 band gap을 보이는 광촉매를 이용할수록 광범위한 파장의 빛을 흡수 가능하며 이를 heterojunction 하면 고유의 단점 보완 등이 가능하다. 특히 최외각의 layer 선정을 통해 부식 방지나 전자 정공 분리 촉진 등의 효과를 볼 수 있기에 최근에는 다층막 구성에 관한 연구도 많이 보이고 있다.

더 나아가 porous structure와 doping에 대한 연구도 주목받고 있는 추세이다. 기존 물질에 외부 물질을 doping하게 되면 donor density의 증가로 인해 광촉매의 electron conductivity 증가하는 효과를 볼 수 있다. 또한 layer 증착 시 porous structure를 형성하면 이를 통해 흡수된 빛을 산란시킬 수 있고, 산란된 빛은 photoelectrode을 빠져나가지 못한 채 전자 정공 분리에 이용된다. 더 나아가 porous structure를 통한 광전극과 전해질 용액 간의 접촉 면적의 증가는 계면 저항의 감소로 이어져 최종적으로 PEC performance는 향상된다.

PEC performance에서 광촉매 재료의 중요성은 결국 일차원적인 문제이기 때문에 공정 측면도 중요하지만, 소재 개발 측면이 주목받는 추세는 지속될 것이며, 상당부분의 연구나 특허 또한 소재 개발에 관한 것이 지금과 같이 주를 이루게 될 것이다.

특허조사

• 광전기화학전지용 광전극 및 그 제조방법과 광전극을 포함하는 광전기화학전지(10-2020-0050025)

본 발명은 실리콘 광전극에서 물분해에 필요한 과전압(over potential)을 낮출 수 있는 광전기화학전지용 광전극 및 그 제조방법과 광전극을 포함하는 광전기화학전지에 관한 것으로, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판상에 마련된 촉매층, 상기 실리콘 기판의 하부에 마련된 불화 금속층, 상기 불화 금속층 하부에 마련된 금속층을 포함하는 구성을 마련하여, 실리콘 광전극에서 물 분해에 필요한 과전압을 낮출 수 있다.

플루오린화(Fluroride)계 물질을 이용한 실리콘 광전극에 관한 것으로, 특히 실리콘 광전극에서 물분해에 필요한 과전압(over potential)을 낮출 수 있는 광전기화학전지용 광전극 및 그 제조방법과 광전극을 포함하는 광전기화학전지에 관한 것이다.

실리콘 광전극의 성능 향상을 위한 연구 개발은 상부 촉매의 특성을 향상시키거나 표면적 증가를 위한 나노 구조체 적용 등에 국한되어 있으며, 후면에 실리콘과 금속전극에 대한 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다. 특히, n형 실리콘과 금속전극인 Al 간의 접촉 저항이 매우 높게 나타나는 문제점을 해결할 수가 없었다.

이러한 문제점을 해결하여 태양광-수소 에너지 전환 효율을 향상시키기 위해 실리콘 광전극에서 물분해에 필요한 과전압을 낮출 수 있는 광전기화학전지용 광전극 제조방법과 광전극을 포함하는 광전기화학전지를 제공한다. 또한 개신 전압을 감소시켜 광전압의 출력을 향상시킬 수 있으며, 광흡수가 우수하고 촉매 사이트 수가 대폭 향상되며, 수산화 전류밀도, 전해질 내 내산화성, 내구성 및 장기간 안정성이 우수한 광전기화학전지용 광전극 및 그 제조방법과 광전극을 포함하는 광전기화학전지를 제공하는 것이 본 발명의 목표이다.

• 광전기화학전지의 작동 전극 제조 방법, 작동 전극 구조 및 그 응용 (10-2010-0020573)

본 발명은 광에너지가 전기화학에너지로 전환되게 하는 광전기화학 전지의 작동 전극 제조 방법과 이 방법에 의해 제조된 작동 전극 및 제조된 작동 전극의 광전기화학 전지로의 응용에 관한 것이다. 본 발명은 제1 투명 도전층이 형성된 투명 기판을 제공하는 단계, 상기 제1 투명 도전층상에 상기 제1 투명 도전층의 최소한 일부를 덮고 상기 제1 투명 도전층보다 큰 비표면적을 갖는 제2 투명 도전층을 형성하는 단계, 및 상기 제2 투명 도전층을 덮는 광촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은, 광전기화학 전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 작동 전극 제조 방법 및 작동 전극 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 작동 전극을 포함하는 유기 오염물질 분해 장치 및 광촉매를 이용한 물 분해 수소발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 작동 전극은 광촉매층과 투명 도전층과의 접촉 면적을 넓히고 전하 이동의 평균 거리를 감소시킴으로써 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한 유기 오염물질 분해 장치 및 광촉매를 이용한 물 분해 수소발생장치, 그리고 염료감응형 태양전지 등에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 기타 광전기화학 전지로 다양하게 응용될 수 있다.

특허 전략 분석

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

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구성원 및 추진체계

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선행 연구결과

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

포스터

내용

완료작품의 결과

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완료작품의 평가

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응용 방안

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향후 전망

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