태양광으로 그린 수소 생산 가능한 새로운 구조의 비금속 광촉매 개발

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2022. 5. 25.

태양광으로 그린 수소 생산 가능한 새로운 구조의 비금속 광촉매 개발

등록일2022.05.03.

 

 

 

 

 

 

태양광으로 그린 수소 생산 가능한 

새로운 구조의 비금속 광촉매 개발

가시광선에 감응하는 질화 탄소 기반 친환경 광촉매 제시

  

 

□ 태양광의 대부분을 차지하는 가시광선에 감응하여 탄소 배출 없이 그린 수소를 생산할 수 있는 비금속, 친환경 질화 탄소(carbon nitride) 광촉매가 국내 연구진에 의해 개발되었다.

  ※ 질화 탄소(carbon nitride) : 탄소와 질소의 교대배열로 이루어진 3차원 반도체 소재

 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박성진, 김정호 교수(인하대학교) 연구팀이 그린 수소를 생산할 수 있는 새로운 구조의 고효율 질화 탄소 광촉매를 개발하고, 촉매 성능과 질화 탄소 물질 구조간의 상관관계를 분자 수준에서 규명하였다고 밝혔다.  

 

□ 최근 환경오염과 전 세계 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 유망한 기술 중 하나로 태양에너지를 이용, 물을 분해하여 그린 수소를 생산하는 수소 생산 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 큰 관심을 받고 있다. 

 ○ 하지만, 그린 수소에 대한 높은 관심에도 불구하고 촉매 효율이 제한적이라는 기술적 한계가 있고, 기존에 우수한 성능을 보인 광촉매들은 대부분 금속을 함유하는 물질로써 환경오염을 유발할 수 있기 때문에 비금속 기반의 고성능 광촉매 개발이 중요하다. 

□ 이에 연구팀은 가시광선을 흡수하기에 적합한 ‘밴드 구조’를 가지며 무독성, 저비용 등의 장점을 지닌 비금속 기반의 질화 탄소물에 집중하였다.

 ○ 이는 차세대 광촉매 물질로 각광받고 있으나, 기존 방식으로 제조된 질화 탄소물에서는 2차원 연결구조 내 수소 결합들이 다수 존재하여 태양광에 의해 생성된 전하 운반자의 원활한 이동을 막아 광촉매 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

 

□ 연구팀은 질화 탄소 소재의 생성 과정에서 물과 수증기를 첨가하는 친환경적인 방법을 이용, 수소 결합은 감소하고 전자 이동성은 향상된 질화 탄소 기반 광촉매를 개발하였다. 

 ○ 이는 물을 사용하지 않고 만든 기존 질화 탄소 광촉매 보다 약 12배 뛰어난 수소 생산 광촉매 성능을 발휘하였고 높은 안정성과 내구성을 나타냈다.

 ○ 또한, 분자 수준에서 수소 결합 감소, 결정성 증가 등을 보여 촉매 성능이 향상되는 것을 확인하였다.  

 

□ 다만, 그린 수소 생산의 상업화를 위해서는 촉매 성능의 극대화, 고효율 촉매의 대량 생산법 개발, 촉매 물질의 저독성, 친환경성 검증 등의 추가 연구가 필요하다는 설명이다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견후속연구)등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 12일 온라인 게재되었다. 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 인하대학교 박성진 교수>

 

논문명

Water-assisted formation of amine-bridged carbon nitride: A structural insight into the photocatalytic performance for H₂ evolution under visible light 

저널명 

Applied Catalysis B: Environmental

키워드 

Carbon nitride (질화 탄소물)

Hydrogen evolution reaction (수소 생산 반응)

Photocatalyst (광촉매)

Hydrogen bond (수소 결합) 

Thermal polycondensation (열 중축합 반응)

DOI

10.1016/j.apcatb.2022.121313

저  자

박성진 교수(교신저자/인하대학교), 김정호 교수(교신저자/인하대학교), 장다운 박사(제1저자/인하대학교), 최승주(공동저자/인하대학교), 권남희(공동저자/연세대학교), 장경연(공동저자/서울대학교), 이수연(공동저자/인하대학교), 이태우 교수(공동저자/서울대학교), 

황성주 교수(공동저자/연세대학교), 김형준교수(공동저자/인천대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

○ 최근 환경오염과 전 세계 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 가장 유망한 기술 중의 하나로 태양에너지를 이용하여 물을 분해해서 그린 수소를 생산하는 수소 생산 반응(hydrogen evolution reaction, HER)이 큰 관심을 받고 있다. 

○ 이 반응은 화석 연료나 전기 에너지를 사용하지 않고 태양에서 오는 빛 에너지만을 이용하여 수소를 생산하기 때문에 그린 수소를 생산할 수 있는 차세대 기술이다. 그린 수소에 대한 높은 관심에도 불구하고 촉매 효율이 제한적이라는 기술적 한계가 있고, 이를 극복하기 위하여 높은 효율로 수소를 생산할 수 있도록 반응을 촉진하는 고성능 광촉매 물질 개발이 절실하다. 

○ 또한 기존에 우수한 성능을 보이는 광촉매들은 대부분 금속을 함유하는 물질로써 환경오염을 유발할 수 있기 때문에 비금속 기반의 고성능 광촉매 개발이 중요하다. 

 2. 연구내용 

 ○ 비금속 기반의 질화 탄소물(carbon nitride)은 탄소와 질소가 교대 배열된 고체 물질이며 강한 공유 결합 때문에 열적, 화학적 안정성을 보유하고 있다. 가시광선을 흡수하기에 적합한 밴드 구조를 가지고 있고, 무독성, 저비용 등의 장점 때문에 그린 수소를 생산할 수 있는 차세대 광촉매 물질로써 가능성이 높다. 

 ○ 기존에 사용되던 열 중축합 방식으로 제조된 탄소 질화물에서는 2차원 네트워크 내에 수소 결합들이 다수 존재한다. 이 수소 결합은 태양광에 의해 생성된 전하 운반자(전자, 정공)가 쉽게 이동하는 것을 방해하기 때문에 결과적으로 전자-정공 재결합(charge recombination)을 가속시켜 광촉매 성능을 저하시킨다.

 ○ 이러한 기존의 질화 탄소물 제조 방법의 문제점을 해결하기 위해, 연구팀은 열 중축합 반응 동안 물과 수증기를 첨가하는 친환경적인 방법으로 수소 결합의 함량은 적고, 우수한 결정성을 갖는 질화 탄소물을 개발하였다. 

 ○ 새롭게 개발된 질화 탄소 광촉매는 물을 사용하지 않고 만든 질화 탄소보다 약 12배 뛰어난 가시광선 응답 수소 생산 광촉매 성능을 발휘하였다. 질화 탄소가 가시광선을 흡수하고 이때 원자가띠에서 전도띠로 여기된 전자가 수용액상의 양성자를 환원시켜서 수소를 생성시킨다. 

 ○ 본 연구에서는 질화 탄소의 광촉매 성능과 화학적 구조 및 광물리적 특성 간의 상관관계를 분자 수준에서 규명함으로써 더 효율적인 수소 생산 광촉매 개발의 기반을 마련하였다. 그리고 높은 안정성과 내구성을 확인하였고 이는 상업적 응용에 토대가 될 것으로 기대한다.

 

3. 연구성과/기대효과

 ○ 본 연구에서는 그린 수소 생산에 효율적인 비금속, 친환경, 고효율 질화 탄소 광촉매를 개발하였다. 또한 광촉매 성능과 화학적 구조, 광물리적 특성 간의 상관관계를 분자 수준에서 규명함으로써 효율적인 수소 생산 광촉매 개발의 토대를 마련하였고 그린 수소를 생산할 수 있는 기술의 상업화를 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.

 

그림 설명

 

 

 

 

(그림1) 태양광을 흡수하여 질화 탄소 광촉매가 수소를 생산하는 모식도 

- 수소는 지속 가능한 차세대 에너지원이며, 가시광선 응답 광촉매를 이용하는 방법은 그린 수소를 생산할 수 있는 가장 청정한 방법으로 각광을 받고 있음 

- 탄소와 질소로 구성된 질화 탄소는 높은 경제성과 친환경성을 보유할 수 있기 때문에 고효율 촉매의 개발이 매우 중요함

 

그림설명 및 그림제공 : 인하대학교 박성진 교수

 

 

 

 

(그림2) 질화 탄소물 생성 과정에서 물을 추가해서 구조를 조절하는 모식도 

– 물 첨가를 통해서 질화 탄소 내부에 다수 존재하던 수소 결합의 수를 줄이고 아민 다리 구조를 증가시켰음. 이를 통해 2차원 네트워크의 결정성이 크게 증가되어 광촉매 수소 생산 성능을 증대시킴

 

그림설명 및 그림제공: 인하대학교 박성진 교수

 

 

 

연구 이야기

 

                                           <작성 : 인하대학교 박성진 교수>

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

미래 자원 및 환경 문제의 해결을 위해서 가장 도전적인 방법이 무엇인지에 대해서 고민하였고 수소를 이용한 에너지 생산은 청정한 에너지 생산 방법 중에 하나입니다. 또한 태양에너지를 이용하여 수소를 만들어내는 광촉매의 이용은 여러 수소 생산 방법 중 가장 청정한 방법입니다. 하지만 인류가 이를 현실화시키기 위해서는 효율적인 촉매의 개발이 꼭 필요하다고 생각하였고 과학자로써 도전해 볼 만한 가치가 있는 연구라고 생각하여서 본 연구를 시작하게 되었습니다. 

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

최근 들어 그린 수소를 생산할 수 있는 촉매 소재 개발에 대한 연구들이 큰 각광을 받고 있습니다. 본 연구 성과의 핵심은 경제성과 친환경성을 갖춘 고효율 광촉매의 개발입니다. 촉매 물질이 금속을 함유하지 않은 친환경 소재이며 기존 생산 공정에 물을 추가했기 때문에 친환경성이 확보되는 추가 장점이 있습니다. 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

만약 실용화된다면 그린 수소를 생산할 수 있는 광촉매로서 사용될 것입니다. 생산 공정상에 촉매 물질로서 적용이 될 수 있지만 실용화를 위해서는 여전히 해결해야 하는 문제점들이 있기 때문에 지속적인 연구개발 투자가 필요합니다. 이를 위해서는 촉매 성능의 극대화, 고효율 촉매의 대량 생산법 개발, 물질의 친환경성 검증 등의 과정이 필요할 것이라고 생각됩니다. 

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

앞서 언급한 것처럼 본 성과의 실용화를 위하여 현재 촉매 성능의 극대화, 물질의 독성, 친환경성 검증 등의 연구를 진행하고 있습니다.