일반기술

반도체입자가 담지된 금속 설파이드계 광촉매 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 수소의 제조방법

*원리 및 구성본 발명은 수소발생용 광촉매 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 수소의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하기로는 물로부터 광반응으로 수소를 제조하는 데에 사용되는 반도체입자가 담지된 금속 설파이드계 광촉매 및 그 제조방법, 그리고 이에 의한 수소의 제조방법에 관한 것이다.*배경 현재의 화석연료를 대체하는 미래의 에너지원으로 무한 청정한 태양에너지원을 이용하여 물을 직접 광분해 하여 차세대 청정 대체에너지원인 수소로 전환하는 방법의 개발은 앞으로 가장 촉망받는 핵심과학기술이 될 것이다.*종래기술광촉매(photocatalyst)를 이용한 방법은 반도체물질을 입자형태로 제조한 광촉매를 물에 분산시켜 광을 조사하여 물을 분해시키는 방법으로 개발 초기엔 주로 광촉매로 TiO2를 사용한 연구가 많았으나, TiO2의 물분해 광효율이 낮아 TiO2는 현재 주로 오염물 분해 광촉매로서 이용되고 있다. 그보다 조금 진보된 단일산화물인 반도체 구조인 SrTiO3 등도 개발되었으나, 수소발생효율이 너무 낮다 (5μmol/hr). 일본의 H. Arakawa 등은 Rh을 담지 시킨 Rh(0.3 wt %)-SrTiO3를 개발하여, 이를 Na2CO3 수용액 상에 광반응시켜 수소발생효율을 48μmol/hr 까지 끌어올렸다(미국특허 제 5,262,023호).일본의 K. Domen 등은 기존의 TiO2나 SrTiO3보다 활성이 보다 우수한 K4Nb6O7나 Rb2La2TiO10등과 같은 Perovskite계 광촉매를 개발하여 물분해 활성을 수백 μmol/hr 수준으로 끌어올렸다(Chem. Mater. 1997, 9, 1063.). 최근, 국내에서도 유사 연구가 시작되어 기존의 Perovskite보다 광효율이 보다 높은 신규 Perovskite계 물질을 개발하였으나(Journal of Catalysis, 2000, 40.), 아직까지 전술한 촉매들은 자외선 영역의 광원에서만 반응을 일으키고있으며, 실제적으로, 가시광선이 대부분인 태양광을 거의 이용할 수가 없으므로 수소제조기술을 실용화하는 광촉매로서는 한계가 있다고 할 수 있다.*적용제품 및 경쟁 제품Oxide계 광촉매와 가시광을 이용한 물분해 수소제조 연구의 결과 가운데 지금까지 최고의 결과로 평가되는 것은 최근 일본 Arakawa 박사 연구팀에 의해 개발되어 (Nature, 414, 2001, 625.)에 발표된 In1-xNixTaO4 광촉매이다. 이 촉매는 402nm 광원에서 시간당 수소발생량: 16.6μmol/0.5g·cat·hr을 내는데 그쳐, 가시광을 이용하여 순수 물을 분해해서 수소와 산소를 생성하는 시스템의 실용화를 위해서는 최소한 100배 이상의 광효율이 증가 되어야 하나, 이들 Oxide계 광촉매의 양이온(In 또는Ta등)이 변화하게되면 band gap energy가 감소하여 가시광을 흡수할 수 있으나, 이와 동시에 동반된 광촉매의 물분해효율의 감소를 막을 방법을 아직까지 찾지 못해 실제적으로 매우 낮은 광이용효율을 내는 약점이 있다. 그러므로, 수소제조기술의 실용화를 목표로 하는 경우에서는 광촉매로서 한계가 있다고 할 수도 있는 것이다. *특징 및 장점1)두 종류 이상의 상이한 반도체물질들과 혼합 금속 설파이드계 광촉매과의 접합으로 제조된 새로운 광촉매. 2)가시광선영역에서 물분해 광촉매로서 이상적인 band gap energy 와 band edge position을 가진 신규 반도체 광촉매. 3)기존촉매에 비하여 촉매반응시 반도체물질들의 접촉부에서의 전자전이(electron transfer)가 용이하게 이루어져 전자 및 전공 재결합(recombination)을 지연함으로써, 수소발생량이 월등히 증가.4) 종래의 이들 촉매의 단점인 가시광 이용효율을 현저히 증가시킴.