1조(H2-GO)
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.
◇ 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.
◇ 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.
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.
◇ 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.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- State of art
◇ Enhanced photocatalytic H₂ production of CdS by the introduction of Cd vacancies
CdS에 Cd vacancy를 도입하여 광촉매 수소 생산 성능을 향상시킨 연구이다. CdCl₂·2.5H₂O와 Na₂S·9H₂O의 몰비를 조절하여 Cd vacancy를 형성하였으며, defect engineering을 통해 전자-정공 재결합 억제 및 환원 능력 향상을 유도하였다.
• 최적의 수소 생산 조건: Cd:S 비율이 1:2인 Cd₁S₂ 시료에서 가장 우수한 성능을 나타냈으며, 수소 생산 속도는 1.93 mmol g⁻¹ h⁻¹로 순수 CdS 대비 약 3.4배 증가하였다.
• Cd vacancy의 역할: Cd vacancy가 도입되면서 전자 구조가 변화하고 Fermi level이 이동하였다. 이로 인해 광여기 전자의 환원 전위가 더욱 음전위 방향으로 이동하여 수소 발생 반응이 촉진되었다.
• 전하 분리 효율 향상: Photocurrent response 증가, EIS 저항 감소, PL intensity 감소 및 TRPL lifetime 변화 등을 통해 Cd vacancy가 전자-정공 재결합을 억제하고 전하 이동을 촉진함을 확인하였다.
• 밴드갭 감소 및 광흡수 향상: Cd vacancy 도입 후 band gap이 감소하고 visible-light absorption이 증가하였다.
• 연구의 의의: defect engineering만으로도 CdS 기반 광촉매의 전하 분리와 환원 능력을 동시에 향상시킬 수 있음을 제시하였으며, vacancy engineering 전략의 가능성을 보여준 연구이다.
◇ Direct Z-scheme ZnO/CdS hierarchical photocatalyst for enhanced photocatalytic H₂-production activity
ZnO와 CdS를 이용한 hierarchical heterostructure를 제작하여 direct Z-scheme 기반 광촉매 수소 생산 성능을 향상시킨 연구이다. Hydrothermal method와 chemical bath deposition(CBD)을 이용해 ZnO/CdS 복합 광촉매를 합성하였다.
• 최적의 수소 생산 성능: CdS 함량이 약 30.9 wt%일 때 가장 높은 광촉매 수소 생산 속도인 4134 μmol g⁻¹ h⁻¹를 나타내었다.
• Direct Z-scheme 메커니즘: ZnO의 conduction band 전자와 CdS의 valence band 정공이 계면에서 직접 재결합하고, CdS의 conduction band 전자와 ZnO의 valence band 정공만 남게 되는 구조를 형성하였다.
• 강한 산화·환원 능력 유지: Direct Z-scheme 구조를 통해 강한 환원력을 가진 CdS conduction band 전자와 강한 산화력을 가진 ZnO valence band 정공이 유지되었다.
• 광흡수 특성 향상: CdS loading 증가에 따라 visible-light absorption이 증가하고 absorption edge가 red-shift되었다.
• 연구의 의의: In-situ XPS 및 hydroxyl radical 검출을 통해 direct Z-scheme mechanism을 실험적으로 검증하였으며, hierarchical structure 기반 ZnO/CdS 광촉매의 가능성을 제시하였다.
- 특허조사
◇ Z-Scheme 구조
• 특허명: Photocatalytic Water Splitting
• 등록번호: EP2407419A1
• 주요 내용: 광촉매 수소 생산을 위해 Z-Scheme 전하 이동 메커니즘을 적용한 기술이다. 수소 발생 광촉매와 산소 발생 광촉매를 결합하여 광조사 시 생성된 전자와 정공 중 산화·환원 능력이 낮은 전하를 선택적으로 재결합시키고, 높은 환원력을 가진 전자와 높은 산화력을 가진 정공을 유지하도록 설계하였다. 기존 Type-II 구조보다 우수한 산화 환원 능력을 확보하여 광촉매 수소 생산 효율을 향상시키는 기술이다.
• 시사점: Z-Scheme 구조는 전하 분리 효율과 산화 환원 능력을 동시에 확보할 수 있어 고효율 광촉매 설계에 적합하며, 수소 생산용 광촉매 분야에서 핵심 기술로 활용되고 있다.
◇ ZnO 기반 광촉매
• 특허명: Functionalized Zinc Oxide Nanoparticles for Photocatalytic Water Splitting
• 등록번호: US10967365B2
• 주요 내용: ZnO nanoparticle의 크기와 표면 구조를 제어하고 표면 개질을 통해 광흡수와 전하 이동 능력을 향상시켰다. 광조사 시 생성된 전자와 정공의 재결합을 감소시켜 광촉매 반응 효율을 높이며, 물 분해 반응에서 수소 발생량을 증가시키는 것을 목표로 한다. ZnO의 결정성 및 표면 활성점을 조절하여 광촉매 활성을 향상시키는 방법을 제시하였다.
• 시사점: ZnO의 구조적 특성과 표면 상태가 광촉매 성능에 직접적인 영향을 미치므로 열처리 조건에 따라 ZnO defect를 최적화하는 연구가 진행되어야 한다고 판단했다.
◇ CdS 기반 광촉매
• 특허명: 황화카드뮴계 수소발생용 광촉매 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 수소의 제조방법
• 등록번호: KR100304349B1
• 주요 내용: CdS의 우수한 가시광선 흡수 능력을 활용하여 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환시킨 기술이다. CdS의 입자 크기 및 결정성을 제어하여 광흡수 효율을 향상시키고 광촉매 반응 시 생성되는 전자의 환원 반응을 촉진하여 수소 생산량을 증가시키는 방법을 제시했으며, CdS의 광안정성을 향상시키기 위한 다양한 제조 조건을 제안했다.
• 시사점: CdS는 가시광선 영역에서 높은 광응답 특성을 가지므로 광촉매 수소 생산에 적합하며, Cd:S 비율 조절에 따른 구조 및 성능 변화 연구의 필요성을 확인할 수 있다.
◇ Defect Engineering
• 특허명: ZnWO₄ Photocatalytic Material with Oxygen Vacancy and Preparation Method Thereof
• 등록번호: US10722868B2
• 주요 내용: 광촉매 내부에 Oxygen Vacancy를 형성함으로써 전하 이동 특성과 광흡수 특성을 향상시켰으며, 특히 Oxygen Vacancy는 전자 포획 site로 작용하여 전자와 정공의 재결합을 억제하고 광촉매 반응 활성점을 증가시켰다. 밴드 구조를 조절하여 가시광선 흡수 범위를 확장함으로써 광촉매 반응 효율을 향상시키는 방법 또한 제시하였다.
• 시사점: Oxygen Vacancy는 광촉매 성능 향상을 위한 대표적인 defect 제어 기술로 활용되고 있으며, ZnO defect 조건 최적화 연구의 기술적 근거가 될 수 있다고 판단했다.
- 특허전략
◇ ZnO/ZnCdS Z-scheme 구조 광촉매
Type1, Type2, Z-scheme 구조 중 Z-scheme 구조로 CdS와 ZnO를 합성하여 단일 광촉매일 때보다 더 높은 효율을 가진 광촉매로 합성한다. ZnO의 CB(Conduction Band)에 있는 전자와 CdS의 VB(valence band)에 있는 hole이 만나 강한 환원력과 산화력을 보존하고, 전하 분리 속도의 향상과 CdS의 광부식을 억제한다.
◇ 화학 용액 증착법을 이용한 Cd vacancy 도입
먼저 합성한 ZnO에 Cd와 S의 전구체를 넣어 교반하면서 최종적으로 ZnO/ZnCdS 광촉매를 합성한다. 여기서 S 전구체의 비율을 과량으로 넣어 Cd의 결함을 유도한다. Cd vacancy의 도입으로 Fermi level이 이동하면서 CB가 상승해 높은 재결합을 억제하고 환원력을 증가시킨다. S의 양을 다르게 조절하면서 Cd와 S의 비율을 다르게 합성함으로써 가장 높은 효율을 보이는 비율로 최적화를 진행한다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 결함 공학 기반 고효율 광촉매 기술 확보
CdS의 Cd Vacancy는 전하 분리 효율을 향상시키고 활성 반응 사이트를 증가시켜 광촉매 활성을 높일 수 있다. 결함을 도입하여 기존 ZnO/CdS 광촉매보다 우수한 광반응 특성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
◇ 수소 생산 성능 향상
ZnO/ZnCdS Z-scheme 구조는 환원력이 우수한 CdS의 전자와 산화력이 우수한 ZnO의 정공을 유지하여 높은 산화·환원 능력을 제공한다. 여기에 카드뮴 공공이 도입되면 광생성 전하의 이동 경로가 개선되고 전자-정공 재결합이 감소하여 수소 발생 반응이 더욱 활발하게 진행될 수 있다. 이를 통해 태양광 기반 수소 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
◇ 광촉매 안정성 향상
CdS는 우수한 가시광선 응답성을 가지지만 광부식이 발생하기 쉽다는 단점이 있다. ZnO와의 이종접합 구조는 전하 분리를 촉진하여 CdS의 광부식을 억제할 수 있으며, 결함 구조 최적화를 통해 장시간 광반응에서도 안정적인 촉매 활성을 유지할 수 있을 것으로 기대된다.
◇ 광촉매 설계 기술 확보
결함 공학(Vacancy Engineering)과 Z-scheme 이종접합 기술을 융합한 본 연구는 향후 다양한 반도체 광촉매 설계에 활용 가능한 기초 데이터를 제공할 수 있다. 이를 통해 차세대 수소 생산 광촉매 개발을 위한 핵심 설계 기술 확보에 기여할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 친환경 수소 생산 기술 발전
광촉매를 이용한 수소 생산은 태양광과 물을 활용하는 친환경 기술로, 화석연료 기반 수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다. 본 연구를 통해 고효율 광촉매가 개발된다면 그린수소 생산 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
◇ 탄소중립 실현 기여
세계적으로 탄소중립 정책이 강화됨에 따라 청정에너지 확보가 중요한 과제로 부상하고 있다. 광촉매 기반 수소 생산 기술은 재생에너지를 활용하여 수소를 생산하므로 온실가스 배출 저감 효과가 크다. 따라서 본 연구는 국가 탄소중립 목표 달성과 수소경제 활성화에 기여할 수 있다.
◇ 에너지 자립도 향상
태양광을 이용한 수소 생산은 외부 화석연료 의존도를 낮추고 지속 가능한 에너지 공급 체계를 구축하는 데 도움을 줄 수 있다. 특히 물과 태양광이라는 풍부한 자원을 활용하기 때문에 미래 에너지 안보 강화에 기여할 수 있다.
◇ 신규 환경·에너지 산업 창출
본 연구에서 활용되는 결함 공학 기반 광촉매 기술은 수소 생산뿐 아니라 수처리, 유기 오염물질 분해, 환경 정화 등 다양한 분야로 확장 가능하다. 따라서 관련 소재 산업 및 친환경 에너지 산업의 성장과 신규 시장 창출에 기여할 것으로 기대된다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/ce/includes/limit.sh: line 101: 28879 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-
Error code: 134
구성원 및 추진체계
◇ 팀 전원 참여(altogether) / 3월 / 논문 학습을 통한 광촉매 물질 탐색 및 선정, 실험도구와 실험장비 사용법 숙지
◇ 팀 전원 참여(rotation) / 4월 / ZnO/CdS 광촉매 합성 및 각 물질별 defect 요소 도입 실험, 제작한 광촉매별 Gas Chromatography를 통한 수소 생산량 측정
◇ 팀 전원 참여(rotation) / 5월 / Gas Chromatography를 통한 수소 생산량 및 stability 측정, UV-vis Spectroscopy를 통한 흡광도 측정 및 추가 분석
◇ 팀 전원 참여(altogether) / 6월 / 데이터 분석 및 결론 도출, 보고서 및 포스터 제작
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
