포토포토
2019 CE
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 수소생산 성능 향상을 위한 ZnO/CdS 광촉매의 Se 도입 전략
영문 : Strategies for Introducing Se into ZnO/CdS photocatalysts for Enhanced Hydrogen Evolution
과제 팀명
포토포토
지도교수
김정현 교수님
개발기간
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20228900** 이*희(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20213400** 강*인
서울시립대학교 화학공학과 20223400** 김*민
서울시립대학교 화학공학과 20223400** 최*화
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 태양광 등 친환경 에너지를 직접 활용해 물 분해 및 수소를 생산할 수 있는 고효율 광촉매 기술 개발의 필요성이 증가하였다.
◇ ZnO/CdS 이종접합 위에 Se를 도입하여 입자의 형태 및 조성, 결정성을 제어한다.
◇ 합성 변수(Se 도입량 x, 반응 온도/시간, 퍼징·pH·희생시약)를 최적화해 전하 재결합을 최소화하고, 수소 발생 성능을 동시에 향상하는 조건을 도출한다.
◇ UV-Vis spectroscopy, SEM, PL spectroscopy, Band gap 측정 등 다양한 분석을 통해 최적화된 광촉매의 특성 및 메커니즘을 분석한다.
개발 과제의 배경 및 효과
◇ 탄소중립 사회로의 전환
기후변화가 인류의 생존을 위협하는 전 지구적 문제로 대두되며 특히 화석연료의 사용에 따라 배출되는 이산화탄소의 양은 매년 증가하여 2023년 기준 약 510억 톤에 달한다. 이에 국제 사회는 지속 가능한 미래를 위해 탄소중립을 선언하였다. 2015년 체결된 파리협정은 지구 평균 온도 상승을 산업화하기 이전 대비 1.5℃ 이내로 억제하자는 국제적 합의를 끌어냈으며, 기존의 화석연료 중심의 에너지 시스템의 근본적인 전환이 필요하다. 이에 대한민국 정부 역시 2050 탄소중립을 선언하여 2030년까지의 국가 온실가스 감축 목표(NDC)를 2018년 배출량 대비 40%로 설정하는 등 감축 의무를 이행하고 있다. 이러한 배경에서 지속 가능한 발전을 위한 친환경 에너지 기술의 확보는 국가 경쟁력과 직결되는 핵심 과제로 부상하였다.
◇ 차세대 에너지원 수소 에너지
화석연료 중심의 에너지 시스템은 연소 과정에서 대량의 온실가스를 배출해 기후/환경/보건/경제 전반에 복합 비용을 유발한다. 이에 화석연료를 대체할 친환경 에너지원의 개발과 활용이 전 세계적으로 주목받고 있으며 그중 수소는 연소 시 물만을 생성하며 고갈되지 않고 다양한 공정 전반에 적용할 수 있어 고에너지 밀도 저장 매체임과 동시에 청정에너지원으로 주목받는다. 이러한 수소는 생산방식에 따라 석유화학 공정 등에서 부수적으로 발생하는 부생수소, 화석연료를 원료로 하는 개질수소, 물 분해를 통해 생성되는 수전해 수소로 분류할 수 있다. 이러한 수소를 생산하는 방법의 하나로 ‘태양광 물 분해’ 기술이 차세대 수소 생산 기술로 꾸준히 연구되고 있다. 따라서 태양광을 이용해 효과적으로 물을 분해하여, 수소 생산 효율을 높이는 것이 중요한 과제로 대두되고 있다.
◇ 광촉매를 통한 수소 생산
광촉매 태양광 물 분해는 태양광을 화학에너지(H2)로 직접 전환하는 경로로, 상온·상압 구동과 단순한 시스템 아키텍처 덕분에 분산형·저비용 생산의 가능성을 제시한다. 반도체가 밴드갭 이상의 광자를 흡수하면 가전자대(Valence Band)의 전자가 전도대(Conduction Band)로 들뜨고, 전자(e-)는 수소 발생(HER), 정공(h+)은 산소 발생(OER) 및 유기 오염물 산화에 이바지한다. 이상적으로는 VB 산화전위가 +1.23V(NHE) 이상, CB 환원전위가 0V(NHE) 이하로 충분한 구동력을 가져야 한다. 물 분해 반응을 이용하는 광촉매는 무한한 태양광과 물을 원료로 하여 그린수소를 생산할 수 있다는 잠재력 덕분에 최근 주목받고 있다. 이는 복잡한 외부 설비 없이 청정연료를 생산할 수 있는 혁신적인 기술로서 다양한 분야에 응용될 수 있는 높은 활용 가치를 지닌다.
◇ 반도체의 이종접합을 통한 광촉매의 성능 향상
단일 성분(single-phase)의 광촉매는 전자(electron)와 hole의 재결합이 쉽고 빠르게 일어나고 가시광선의 흡수가 충분하지 않아 이종접합으로 빛 흡수의 범위와 전화 분리를 촉진한다. 따라서 흡수대 향상을 위한 밴드 크기 조정과 전하 분리 및 전하 수송 최적화를 위한 계면 조정을 통해 광촉매의 수소 생산 성능을 향상할 수 있다. 이종접합(Heterostructure)은 서로 다른 밴드 퍼텐셜을 가진 물질을 접합한 구조로, 빛을 받아 생긴 전자와 hole을 효과적으로 분리해 재결합을 줄일 수 있어 가시광선에서의 활용도가 상승하고 charge carrier의 분리와 전달이 개선된다. 따라서 이종접합 구조를 형성하면 광촉매의 효율이 높아지고 반응이 잘 일어나게 된다. 서로 다른 반도체 사이에 형성되는 내부 전기장(built-in electric field)으로 전자는 더 양(+)의 CB로 이동하고 hole은 더 음(-)의 VB로 효율적으로 이동할 수 있게 된다. 일반적으로 이종접합은 TypeⅠ, TypeⅡ, Z-scheme의 세 가지 메커니즘으로 분류된다.
◇ 광촉매의 전자 이동 메커니즘
TypeⅠ은 반도체Ⅱ의 CB와 VB가 반도체Ⅰ의 밴드갭 안에 존재하여 전자와 hole이 모두 반도체Ⅱ로 이동하는 구조로, 구조 특성상 전하 분리 능력이 낮고 수명이 짧다는 단점이 있다. TypeⅡ는 상대적으로 높은 위치에 있는 반도체Ⅰ과 낮은 위치에 있는 반도체Ⅱ에서의 전자와 hole이 이동하는 구조이다. 전자는 반도체Ⅰ의 CB에서 반도체Ⅱ의 CB로 이동하고, hole은 반도체Ⅱ의 VB에서 반도체Ⅰ의 VB로 이동한다. 이렇게 전자와 hole이 서로 다른 반도체에 공간적으로 분리되면서 재결합이 줄고 전하 분리가 잘 되어 반응이 효율적이다. 하지만 전자는 에너지 준위가 낮은 CB로 이동하고 hole은 높은 VB로 이동하기 때문에 에너지가 낮아져 산화-환원 반응이 쉽게 일어나지 않는다. 그리고 전자와 hole이 각각 다른 반도체로 이동하므로 접촉면에서 가까운 부분에서만 효과적이고 만약 접촉면이 불완전하거나 크기가 작다면 재결합이 일어날 가능성이 크다.
Z-scheme 시스템은 자연적인 광합성을 모방 구조로 높은 산화-환원 능력을 동시에 유지해 태양 에너지의 활용 효율을 높인다. shuttle redox mediator, solid-state electron mediator, direct system의 총 3가지 유형으로 구분되는데 주로 연구되는 Z-scheme은 solid-state electron mediator와 direct system이다. Solid-State Electron Mediator는 금속 및 전도성 고체를 PSⅠ과 PSⅡ 사이에 넣어 이 고체 매개체를 통해 전자가 더 효율적으로 이동하게 만드는 구조이다. Ohmic contact를 통해 전기 저항이 낮아져 전자의 분리가 향상된다. PSⅠ이나 PSⅡ가 고체 매개체와 같은 금속 성분이라면 접촉면이 더 안정적으로 형성되어 접촉면에서 전도체가 쉽게 떨어지지 않는다. 따라서 전자 전달이 빠르고 안정적이며, 광촉매 입자 간의 밀접한 접촉을 유지해 효율이 높다는 특징을 가지고 있다.
Direct Z-scheme은 PSⅠ과 PSⅡ 사이에 금속 매개체 없이 정전기적으로 직접 접촉하여 내부 전기장에 의하여 전자 이동이 일어나는 구조이다. 태양광을 받으면 PSⅡ의 전자와 PSⅠ의 hole이 만나 재결합이 일어나게 되어 PSⅠ에는 전자가 남고 PSⅡ에는 hole이 남아 산화-환원 반응이 동시에 진행된다. 두 물질 간 호환성이 있는 접촉면이 형성되어야 하고 화학 결합으로 강하게 연결된다. 금속 매개체가 없어 전자 이동 능력이 저하되어 재결합의 가능성이 높아진다는 단점이 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 최종 목표
가시광 조건에서 수소 발생률과 내구성이 동시에 향상된 ZnO/CdS/Se-도입 이종접합 광촉매를 설계 및 합성하여 태양광 스펙트럼의 활용 범위를 넓히고 전하 이동 메커니즘을 제어 및 분석하여 광촉매의 수소 생산 성능 향상을 최종 목표로 한다. 구체적으로 넓은 밴드갭과 강한 산화력을 지닌 ZnO와 가시광 응답·강한 환원력을 가진 CdS의 조합으로 Z-scheme 경로를 구현하고, CdS에 Se를 도입하여 CdS(1-x)Sex(치환 고체용액) 또는 수 nm 두께의 CdSe 층을 형성함으로써 흡수 영역대를 적색 확장해 태양광 활용도를 높이고 광 전하 생성량을 증대시키는 것을 목표로 한다. 다만 CdS↔CdSe 계면의 밴드 정렬은 조성(x)·층 두께·결정성·계면의 합성 방법에 따라 Type-Ⅰ/준-Type-Ⅱ로 편향될 수 있어 한 상에 전하가 응집해 재결합이 증가하거나 과도한 밴드갭 축소로 HER 구동력을 약화할 위험이 존재하며, 합성 과정에서의 미반응 고체인 Se가 석출되거나 음이온 치환 과정상의 격자 부정합으로 인해 불안정할 수 있기에 여러 실험을 통해 온전한 합성을 진행하는 것이 목표이다. Se 도입의 효과는 흡수 영역대 확장은 물론 Z-scheme을 위한 환원력 보존이 보존되도록 조성·두께·결정성·계면 품질을 정밀 제어할 때 극대화되며, Z-scheme이 정공을 ZnO 측으로 유도해 CdS의 광 부식을 상대적으로 억제할 여지도 크다. 최종적으로 본 설계는 ZnO/CdS에서의 Z-scheme 작동을 확고히 유지하면서 CdS↔CdSe 계면을 보조적 흡수 및 광 생성 전자와 정공의 수송 채널로 활용하여 전하 분리와 수송을 개선하고, 결과적으로 가시광 조건에서의 수소 생산 성능, 그리고 장기 내구성을 동시에 향상하고자 한다.
◇ Se 도입(개요)
경로 A: Na2SeSO3 수용액 기반 음이온 교환(암 조건/온도 가변) 경로 B: Se-in-Na2S(또는 (SeS)2-) 용액 점적 및 광 유도 교환(60℃ 내외, N2 퍼지)
현재 가능성이 있는 여러 경로·조건으로 실험을 진행 중으로, 과 교환에 따른 Cd2+ 용출·Se 석출, 색상 편차(노란색↔적황/녹갈)의 재현성 이슈를 최소화하도록 점적 속도·희생시약 농도·퍼지 유지 조건 등 최적화된 합성 방법을 개발 예정
◇ 광촉매 성능 평가
수소 생산의 성능은 크게 수소 생산량과 stability로 확인할 수 있다. 광촉매를 물에 균일하게 분산시키고 solar simulator에 중위도 태양 빛과 같은 AM1.5G filter를 장착한 빛을 사용하여 물 분해 반응을 진행한다. 이때 생성되는 수소의 양을 gas chromatography를 사용해 측정한다. 기체량이 면적으로 표시되기 때문에 reference를 측정해 mol %로 calibration 한다. 환산된 mol %와 이상기체 방정식을 이용해 수소량(µmol/g/h)을 구할 수 있다. 수소량을 확인하여 광촉매의 생산량을 평가한다. 또한 일정 시간 간격으로 새로 질소를 purging 하며 수소 생산 실험을 반복적으로 수행함으로써 광촉매의 내구성을 확인한다. 여러 번의 시간 동안 같은 성능을 유지할수록 촉매의 내구성이 뛰어나다고 볼 수 있다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Direct Z-scheme ZnO/CdS hierarchical photocatalyst for enhanced photocatalytic H2-production activity
ZnO와 CdS를 이용하여 합성하여 수소 생산 효율을 높인 광촉매에 관한 연구
최적의 수소 생산 효율 조건: CdS의 질량비가 30.9%일 때 4134μmolg-1h-1의 수소 생산 성능을 보임 Direct Z-scheme: 중간에 전자 매개체가 없는 직접적인 방식. ZnO의 전도대에 있는 상대적으로 약한 전자가 CdS의 가전자대에 있는 약한 홀과 계면에서 직접 만나 재결합하여 소멸하는 방식. 이 과정을 통해 CdS의 전도대에 있는 강한 환원력을 가진 전자와 ZnO의 가전자대에 있는 가장 강한 산화력을 가진 홀만 살아남아 이들이 수소 생산과 희생제 산화 반응을 일으켜 전체 효율을 극대화할 수 있음. 수산화 라디칼 생성 확인: 전통적인 Type-Ⅱ 방식이었다면 생성될 수 없는 수산화 라디칼이 생성되는 것을 형광 분석으로 확인하였음. 이는 Z-scheme을 통해 ZnO의 산화 능력이 보존되었다는 증거. In-situ XPS 분석: 빛을 쪼여주었을 때와 아닐 때를 비교·분석하여 ZnO에서 CdS 쪽으로 전자가 이동하는 현상 관측. 이는 direct Z-scheme에서만 나타나는 전자 흐름.
연구의 의의: 이전까지 ZnO/CdS heterostructure의 전자 이동 방식은 이론적으로만 논의되는 경우가 많았으나 이 논문에서는 수산화 라디칼 생성 확인과 In-situ XPS 분석을 통해 ZnO/CdS heterostructure에서 direct Z-scheme이 실제로 작동함을 증명함.
◇ Highly efficient photocatalytic hydrogen generation by solution-processed ZnO/Pt/CdS, ZnO/Pt/Cd(1-x)Zn(x)S and ZnO/Pt/CdS(1-x)Se(x) hybrid nanostructures
기존 광촉매의 한계: ZnO와 같은 반도체는 태양 스펙트럼의 자외선 부분에만 반응하며, 광 생성된 전자와 정공이 쉽게 재결합하여 효율이 낮다는 한계가 있음. 새로운 하이브리드 나노구조 기술: 최근에는 이러한 한계를 극복하기 위해, 다양한 하이브리드 나노구조가 연구되고 있음. 특히 ZnO와 CdS를 결합한 heterostructure는 가시광선 영역에서 수소 발생을 유도하는 데 효과적 백금(Pt) 조촉매의 역할: Pt와 같은 귀금속 촉매는 반도체 시스템에 추가되어 광 생성된 전하의 분리를 돕고, 광촉매 효율을 크게 향상함. ZnO/Pt/CdS 하이브리드 나노구조는 이러한 Pt의 역할을 활용하여 광촉매 성능을 개선한 사례. 논문에 따르면 Pt 나노결정이 존재할 때 수소 발생 효율이 약 7배 증가함. CdS 치환을 통한 효율 향상: CdS를 Zn이나 Se로 치환하여 광촉매의 광전자 특성을 조절할 수 있음. 특히, CdS의 Cd를 Zn으로 20% 치환한 ZnO/Pt/Cd(0.8)Zn(0.2)S 구조는 가시광선 조사만으로도 50.4%의 양자 수율(AQY)을 달성하며 매우 높은 성능을 보였음.
용액 공정의 의의: 이러한 고효율 촉매는 복잡한 과정 없이 간단한 용액 공정(solution processing)을 통해 제조될 수 있다는 점이 중요. 이는 대량 생산 및 상용화 측면에서 큰 장점이 될 수 있음.
◇ Photodeposited-metal/CdS/ZnO heterostructures for solar photocatalytic hydrogen production under different conditions
ZnO와 CdS의 복합체에 금속(M)을 추가하여 광촉매의 수소 생산 효율을 향상하는 연구
성능: M/CdS/ZnO 복합체는 순수 ZnO나 CdS/ZnO보다 높은 수소 생산 효율을 보임. 특히 Pt(0.5%)/CdS/ZnO는 5시간 동안 22.2 mmolg-1h-1의 높은 수소 생산량을 보였음. 촉매 구성 요소의 역할: 넓은 밴드갭(3.22 eV)의 ZnO를 좁은 밴드갭(2.36 eV)의 CdS와 결합하면 가시광선 흡수가 확대되어 효율이 높아짐. Pt, Pd, Ni 등의 금속을 조촉매로 추가하면 전자가 반도체에서 금속으로 쉽게 이동하여 성능이 향상됨. 복합체 합성 순서의 중요성: Pt를 CdS/ZnO에 첨가한 Pt/CdS/ZnO 복합체가 CdS를 Pt/ZnO에 첨가한 CdS/Pt/ZnO 복합체보다 수소 생산량이 높았음. 이는 CdS/Pt/ZnO 합성 과정에서 밴드갭이 넓은 ZnS 구조가 더 많이 형성되어 효율이 감소했기 때문. 전자 공여체의 영향: Na2S+Na2SO3 용액이 메탄올, 젖산 용액보다 수소 생산량이 높은 것을 통해 M/CdS/ZnO 광촉매에 대해 Na2S+Na2SO3 용액이 최적의 전자 공여체임을 확인함.
의의 및 한계: 적절한 운전 매개변수를 조절하면 M/CdS/ZnO 광촉매가 태양광 수소 생산에 효율적으로 활용될 수 있음을 시사함. 그러나 연구가 실험실 규모의 반응기에서만 수행되었다는 한계가 있음.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 특허 조사
1. Z-scheme 기반 수소 생산용 이종접합 광촉매 Z-scheme을 활용하는 CdZnS 및 ZnO 이종 반도체 구조로, 광산화에 의한 전자·홀 분리 및 이동 효율을 높여 포토코로선 억제와 장기 안정성을 확보하는 수소 생산 광촉매. 실제 Z-scheme 구조 및 계면 최적화, 촉매 내 금속/비금속 도입에 대한 구체적 방법이 제안됨.
2. CdS/ZnO 기반 수소 생산 광촉매의 합성 및 제조 방법 CdS와 ZnO를 결합해 광분해 수소 생산 효율을 높이는 합성 과정에 대한 기술. CdS와 ZnO 간의 계면 특성, 합성 조건(온도, 시간, 도핑 물질 투입량 등) 최적화 방법론이 특허에 반영됨.
3. 가시광 응답형 광촉매 밴드 구조 설계 및 확장 CdSe와 CdS, ZnO가 포함된 이종구조 및 밴드갭 엔지니어링 설계가 강조되고, 가시광 범위에서 흡수 특성을 확장하여 수소 발생 광전류 밀도를 크게 향상하는 방법.
4. Z-scheme 광촉매의 전하 분리·계면 최적화 전도성 분리 층 및 특수 계면구조를 도입하여, 산소·수소 발생 광촉매의 전하 전이 효율을 높이고 재결합 억제 방안을 제시하는 특허. 전도층이나 나노입자 매개 계면을 광촉매 사이에 두어 효율적으로 전자를 전달함.
5. 가시광 촉매의 Se 도핑·도입 방법 가시광 응답 확장을 위해 도핑(특히 Se 또는 기타 음이온/양이온 도핑) 방법, 처리 조건(pH, 온도, 첨가제), 나노입자 구조 제어와 같은 공정에 대한 구체적 특허 사례. Se 도입에 따른 밴드 균형 조절, 전자이동, 광 흡수 증대 등 기술적 특징이 있으나, ZnO/CdS에 Se를 직접적으로 도입하는 특허는 상대적으로 제한됨
◇ 특허 전략
1. Se 도입 및 밴드 정렬 기반 Z-scheme 특허 차별화 Se 도입에 따른 ZnO/CdS 복합체의 밴드 정렬 조절, 가시광 응답 확장 및 연계된 Z-scheme 전자이동 효율 향상에 초점을 맞춰야 함. 구체적으로 Se 도입량, 처리 방법, 도핑 메커니즘, 계면 안정화 기술을 융합해, 기존 특허 관계(예: 단순 CdS/ZnO 복합, or 기존 도핑 기술)와 차별화된 밴드 엔지니어링 및 전하 분리 효과 강조.
2. 프로세스 최적화 및 응용 확장 전략 pH, 반응 온도·시간, 희생제 등 합성·처리 변수 제어와 그에 따른 수소 생산 효율 극대화를 포함하는 분명한 프로세스 최적화 특허 범위를 확립. 동시에 계면 안정화, 광 부식 억제, 장기 내구성 강화 등 부가적 기술 요소를 포함해, 산업적 확장성(모듈화, 연속공정, 대면적 적용 등)에 기반한 권리 범위를 확보하는 전략이 유효
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
본 연구의 목적은 ZnO/CdS에 Se를 도입하여 가시광 흡수를 확장하고, Z-scheme 구조를 통해 더 효율적이고, 친환경적인 광촉매를 합성함에 있다. 합성한 광촉매의 수소 생산 성능을 평가하여 연구의 성공도를 알아보고자 한다.
◇ 고효율 광촉매 기술 확보
ZnO/CdS에 Se를 도입한 이종접합 광촉매는 태양광 스펙트럼의 대부분을 활용할 수 있는 광 흡수 능력과 Z-scheme 구조를 통한 효율적인 전하 운반체 분리 메커니즘을 통해 수소 생산의 효율을 극대화할 수 있다. 이는 기존 광촉매의 한계를 극복하는 기술적 진보라고 볼 수 있다. 기술을 산업화하여 대량의 수소를 안정적으로 생산할 수 있는 기술을 마련하는 기반이 될 수 있을 것이다.
◇ 수소 생산
광촉매의 밴드갭이 수소 생산 반응의 산화 환원 전위를 포함한다면 광촉매가 들어있는 용액에 광을 조사하였을 때 수소 생산 반응이 발생한다. 수소는 대용량을 장기간 저장할 수 있고, 에너지 원료로 사용하였을 때 유해 물질을 배출하지 않는다는 점에서 주목받고 있는 차세대 신재생 에너지다. 연구를 통해 수소 생산이 가능한 광촉매를 만든다면 신재생 에너지 조달 해결을 위한 대책을 마련하는 데 도움이 될 것이다.
◇ 부수 효과: 유기 오염물질 분해
광촉매는 수소를 생산할 뿐만 아니라 유기물을 분해할 수 있다. 광촉매에 빛이 조사될 때 생산되는 라디칼 등의 부수물은 유기물의 결합을 끊음으로써 해로운 물질을 위험하지 않은 무기물로 분해한다. 이를 이용하면 공장 폐수 및 폐기 의약품 등 실생활에서 발생하는 다양한 유기 오염물질을 효율적으로 처리하는 방안을 마련할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 수소 생산 비용 절감
기존 수전해 방식을 통한 수소 생산은 균등화 수소 비용이 크기 때문에 수소 에너지를 활용한 산업 전반의 경제성은 크게 좋지 않았다. 그러나 광촉매를 이용한 수소 생산 기술은 수전해 방식에 비해 낮은 비용을 들여 수소를 생산할 수 있기 때문에 수소차 등과 같은 산업의 경제성을 향상할 것이다.
◇ 새로운 시장 활성화
앞서 언급했듯 광촉매 기술을 통해 수소 생산, 유기 오염물질 제거, 수질 정화 등 다양한 환경/에너지 분야에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히 태양광과 물을 이용하여 수소를 생산하는 방식은 친환경적인 데다가 기술 경쟁력이 매우 높으므로 국제적 관점에서 관련 산업의 새로운 시장을 창출하고, 수출 경쟁력 또한 확보할 수 있을 것이다.
◇ 탄소 중립 사회 실현 가속화
전 세계적으로, 환경 문제에 맞서 탄소 중립 실천 등 친환경적 방식으로 에너지를 생산 및 소비하는 움직임이 지속되고 있다. 광촉매 기술은 태양광을 에너지원으로 사용하므로 기존 수소 생산 방식에서 배출되는 대량의 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있다. 특히 수소 생산 방식은 그린수소, 그레이 수소 등 그 부산물을 기준으로 분류될 정도로 환경오염에 대한 역효과에 주의하는 만큼 광촉매 기술은 탄소 중립 목표 달성을 위해 필요한 그린수소 생산 기술을 상용화하는 데 중요한 발판이 될 것이다.
◇ 에너지 자립 및 안보 강화
광촉매를 통한 수소 생산 방식은 태양광과 물이라는 흔하고 풍부한 자원을 활용하여 에너지를 만들어내므로 에너지 자립도를 높일 수 있다. 더하여 현재 에너지 공급망의 문제점인 중앙집중식 공급망을 완화할 수 있는 환경을 만드는 데 도움이 될 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
.png)
구성원 및 추진체계
◇ 9월: 논문 학습 및 이론 숙지를 통한 광촉매 물질 탐색, 실험장비 사용법 숙지 (팀 전원)
◇ 10월: ZnO/CdS 광촉매 합성 및 Se 도입 전략 연구, Gas chromatography를 통한 수소 생산량 측정 (팀 전원, Rotation)
◇ 11월: Gas chromatography를 통한 stability 측정, UV-vis spectroscopy 장비를 통해 Absorbance 측정 및 추가 분석 진행 (팀 전원, Rotation)
◇ 12월: 데이터 분석 및 결론 도출 (팀 전원)
설계
목표 달성을 위한 실험 방법
광촉매 합성 방법
◇ ZnO 합성 방법
1. 60mL 증류수에 Zn의 전구체 Zn(CH3COO)2·6H2O 3.75mmol(0.823g)과 urea 15mmol(0.901g)을 용해한다. 2. 10mL 증류수에 Citric acid를 0.75mmol(0.144g)녹인 용액에 NaOH 2,225mmol(0.09g)을 녹인 용액 10mL를 첨가해 20mL 용액을 준비한다. 3. 두 용액을 섞고 100mL 테프론 라이너에 옮겨 120℃에서 6시간 동안 수열 처리한다. 4. 증류수를 이용하여 세척 후 건조한다. 5. 퍼니스에서 350℃로 2시간 동안 어닐링한다.
◇ ZnO/CdS 합성 방법: chemical bath deposition
1. Cd 전구체인 CdCl2 0.2mmol(36.66mg)을 16mL 증류수에 용해한다. 2. S 전구체인 CH3CSNH2(Thioacetamide) 0.2mol(15.03mg)을 16nL 증류수에 용해한다. 3. 두 용액을 섞어서 준비한다. 4. 8mL 증류수에 수열 합성한 ZnO 100mL를 분산시킨다. 5. ZnO 분산액을 용액에 첨가한 후 40℃에서 20분동안 교반한다. 6. 증류수와 에탄올을 이용하여 세척 후 건조한다.
◇ ZnO/CdS(1-x)Se(x) 합성 방법: photoinduced anion exchange
1) (SeS)2- stock 용액 준비
1. 25M Na2S 수용액 10mL에 Se power 0.10mmol(7.90mg)을 첨가한다. 2. N2 퍼지 상태에서 60℃로 가열·교반하여 Se가 완전히 용해될 때까지 반응시킨다. 3. 용해되지 않은 Se 입자는 PTFE syringe filter로 여과하여 제거한다. 4. 여과된 용액에 4배의 증류수를 첨가하여 nominal [Se]=2mM인 (SeS)2- stock 용액을 준비한다.
2) ZnO/CdS 현탁액 및 sacrificial 용액 준비
1. 증류수 60mL에 Na2S·9H2O 1.441g(0.1M Na2S), Na2SO3 1.513g(0.2M Na2SO3)을 완전히 용해시킨다. 2. ZnO/CdS 복합체 0.05g을 첨가하여 분산시킨다. 3. N2로 퍼지하여 준비한다.
3) (SeS)2- stock 첨가 및 혼합
1. (SeS)2- stock 용액을 이론 CdS 몰수(0.05g 당 77.5µmol)를 기준으로 원하는 n(Se)/n(CdS) 비(R_Se/Cd=0.05, 0.10, 0.15 등)가 되도록 계산된 부피만큼 첨가한다. 2. 천천히 시린지로 주입한 후 광 조사에 의한 anion exchange를 여러 시간에 걸쳐 진행한다. 3. 증류수로 세척 후 건조한다.
광촉매 성능 평가
1. 60mL 증류수에 0.35M Na2S·9H2), 0.25M Na2SO3, 합성된 광촉매 0.01g을 넣고 초음파 분산한다. 2. 질소 퍼징을 통해 반응기 내 공기 조건을 질소화한다. 3. Solar Simulator(150-W Xenon lamp, AM 1.5G filter)로 광 조사하며 30분 간격으로 Gas Chromatography를 통해 수소 생산량을 측정 및 계산한다. 4. 측정 후 두 종류의 표준 가스(reference gas, 1vol% H2, 5 vol% H2)의 측정값을 기준으로 환산한다.
.png)
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후 전망
◇ 고효율 광촉매 원천 기술 확보
본 과제는 차세대 그린수소 생산의 핵심인 고효율 광촉매 기술을 개발하는 것에 목적이 있다. 연구에서 ZnO/CdS에 Se를 도입하여 Z-scheme 전하 이동 경로를 구현함으로써 향상된 광 흡수율, 효율적인 전하 분리 및 높은 안정성을 갖는 광촉매 원천 기술을 확보할 수 있다. 추가로 CdS <-> CdSe 계면의 층 두께, 비율, 결정성 등 복잡한 합성 변수를 제어하여 최적화하는 연구를 통해 향후 다양한 고효율 광촉매 시스템을 설계하는 데 중요한 학술적 기반을 제공할 것이다.
◇ 에너지 전환 및 탄소중립 사회 기여
기후변화 대응을 위한 탄소중립 사회로의 전환은 화석연료 중심의 에너지 시스템을 근본적으로 바꿔야 하는 전 지구적 과제이다. 본 연구에서 다루는 수소 생산 기술은 태양광과 물을 원료로 하는 차세대 그린수소 생산 기술이다. 이는 복잡한 외부 설비 없이 청정연료를 생산하는 혁신적인 기술로서 세계 온실가스 감축에 이바지할 수 있다.
특허 출원 내용
내용
참고 문헌
1. Wang, Sheng, et al. "Direct Z-scheme ZnO/CdS hierarchical photocatalyst for enhanced photocatalytic H2-production activity." Applied Catalysis B: Environmental 243 (2019): 19-26.
2. Lingampalli, S. R., Ujjal K. Gautam, and C. N. R. Rao. "Highly efficient photocatalytic hydrogen generation by solution-processed ZnO/Pt/CdS, ZnO/Pt/Cd(1-x)ZnxS and ZnO/Pt/CdS(1-x)Sex hybrid nanostructures." Energy & Environmental Science 6.12 (2013): 3589-3594.
3. Kim, Yeong Gyeong, and Wan-Kuen Jo. "Photodeposited-metal/CdS/ZnO heterostructures for solar photocatalytic hydrogen production under different conditions." international journal of hydrogen energy 42.16 (2017): 11356-11363.
