촉매연구소
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 태양광 물분해 반응의 수소 생산 증대를 위한 아연 기반의 광촉매 개발
영문 : Development of zinc based photocatalyst for enhanced hydrogen evolution from solar water splitting
과제 팀명
촉매연구소
지도교수
김정현 교수님
개발기간
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20193400** 한*준(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20213400** 하*서
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 탄소 중립을 위한 친환경 수소 에너지 기술 연구 개발의 필요성이 증가하였다.
◇ 황화아연(Zinc sulfide, ZnS) 합성 방법을 달리하여 입자의 형태 및 크기 조절을 진행한다.
◇ 전이금속의 도핑을 추진, 해당 물질을 탐색하고 수소 생산 증대를 목표로 최적화를 진행한다.
◇ UV-Vis spectroscopy, SEM, PL spectroscopy, Band gap 측정 등 다양한 분석을 통해 최적화된 광촉매의 특성 및 메커니즘을 분석한다.
개발 과제의 배경
◇ 탄소중립의 필요성
인류문명은 화석연료의 에너지로부터 이룩되었다. 석탄 및 석유를 포함한 화석연료는 다양하게 활용되어 증기기관을 가동했고 산업혁명의 단초를 제공했다. 그러나 화석연료의 사용에 따라 배출되는 이산화탄소의 양은 매년 증가하여 2023년 기준 약 510억톤에 달했다. 그림1에 따르면 산업화 이후 대기 중의 이산화탄소 농도는 계속 증가함을 알 수 있다.
그림 1. Average carbon dioxide (CO₂) levels in the atmosphere worldwide from 1959 to 2023(in parts per million)[17].
그림2에 의하면 1880년 이후 매년 전 세계 토지 온도는 전반적으로 상승하는 추세를 보인다. 2023년 전 세계 지표면 온도는 1901년부터 2000년까지 전 세계 평균보다 섭씨 1.81도 높았다. 이는 해당 기간 동안 기록된 연간 기온 이상 현상 중 가장 높은 수치다. 전 세계 해수면 온도의 이상 현상은 같은 기간 동안 비슷한 추세를 보였다.
그림 2. Annual anomalies in global land surface temperature from 1880 to 2023, based on temperature departure(in degrees Celsius)[18].
이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 가스 중 하나로 복사열을 늘려 지구 평균 지표면 온도를 상승시킨다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 보고서에 따르면 지구온난화 수준이 섭씨 1.5도를 초과하게 되면 기후 재난의 일상화로 돌이킬 수 없는 수준의 피해가 예상된다고 한다. 산업화 이후 지구온난화 수준은 섭씨 1.1도 높아진 상태이므로 탄소배출 억제가 필수적임을 알 수 있다.
◇ 수소 생산의 효율 증대 2021년 우리나라는 2050 탄소중립 시나리오를 발표했다. 이산화탄소 감축을 위해 화력발전을 전면 중단하고 수송부문은 전기/수소차 등으로 전환한다. 또한 그린수소를 사용하여 이산화탄소를 포집 및 활용하려는 계획을 세웠다. 이처럼 기후변화와 환경오염으로 인해 친환경 에너지 전환에 대한 움직임이 커지고 있다. 그중 수소는 연소 후에도 잔여물로 물만 배출하기 때문에 보다 친환경적이고 고갈되지 않는 에너지원으로 주목받고 있다. 이러한 수소를 생산하는 방법 중 하나로 ‘태양광 물분해’ 기술이 차세대 수소 생산 기술로 꾸준히 연구되고 있다. 따라서 태양광을 이용해 효과적으로 물을 분해하여 수소 생산 효율을 높이는 것이 중요한 과제로 대두되고 있다.
◇ 광촉매 활용 광촉매는 빛을 에너지원으로 하여 태양에너지를 화학에너지로 변화시킨다. 특히 물 분해 반응을 이용하는 광촉매는 태양광을 사용해 물을 분해하여 그린수소를 생산할 수 있어 주목받고 있다. 자연에 풍부하고 지속가능한 태양에너지와 물을 사용하여 수소를 배출한다는 점에서 중요하다. 수소 에너지를 활용해 탄소 포집, 활용 및 저장 기술(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) 등 여러 차세대 기술이 개발되고 있는 시점에서 광촉매를 사용한 효율적인 수소 생산 연구에 관해 관심이 집중되고 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 방법으로 광촉매를 합성하여 수소 생산의 효율을 극대화하는 광촉매를 개발하려 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
내용
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
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
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
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
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향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
