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'전자구조'에 해당되는 글 1

  1. 2011.01.20 태양빛으로 석유연료와 수소를 만드는 인공광합성
2011. 1. 20. 06:30 대덕밸리과학소식/KAIST

인공광합성 구현의 핵심기술은 물로 태양에너지의 대부분을 차지하고 있는 가시광 영역에서 효율적으로 양성자를 발생시키는 기술을 확보하는 것입니다.

이 양성자는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소와 반응해 메탄, 메탄올 등 친환경 석유연료로 만들 수 있습니다.

또 이 양성자 자체를 결합해 꿈의 자원인 수소도 효율적으로 생산할 수 있습니다.

그러나 기존의 광촉매 소재들은 태양에너지의 일부 영역인 자외선 영역과 고가의 백금 조촉매를 사용할 경우에만 물로부터 양성자를 생성시키는 것이 가능했습니다.

즉 태양광 중 가장 풍부한 가시광 영역에서는 양성자를 거의 생성할 수 없다는 한계를 갖고 있었습니다.

이엽 연구원(박사과정)

강정구 교수

그런데 KAIST 강정구 교수 연구팀이 이중금속으로 구성된 다전자 광촉매 물질을 합성해 인공광합성 기술을 구현하는 데 성공했습니다.

이중금속 물산화 광촉매 물질은 태양광의 대부분을 차지하는 가시광 영역에서 효율적으로 물을 산화해 산소를 발생시킵니다.

이를 통해 물로부터 산소 발생 후 물에는 양성자가 생성되는 것입니다.

강 교수팀은 타이테니늄 원자를 저가 산화물인 니켈 옥사이드 층상 구조에 니켈을 일부 치환시켜, 이중금속으로 구성된 다전자 광촉매 물질을 합성했습니다.

또 이중금속 다전자 층상 구조는 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있는 이종 금속의 한쪽 금속 전자가 기저상태에서 인접한 산소와 결합하고 있는 다른 쪽의 금속에 터널링을 통해 전자 이동이 비가역적으로 이뤄져 가시광 태양빛을 효율적으로 흡수할 수 있다는 것을 확인했습니다.

이중금속 층상구조 광촉매구조의 모식도. 양이온으로 구성된 금속 산화물 층을 음이온이 전하 균형을 맞춰주며 층간 구조를 형성하고 있는 물질이다.

이중금속 층상구조 물산화 촉매 특성 (자외선에 널리 사용되고 있는 타이테이니윰 옥사이트 (TiO2) 광촉매는 거의 물산화 광촉매 특성이 가시광에서 거의 없는 반면 새롭게 개발된 층상구조 이중금속 다전자 광촉매는 활성이 좋은 것을 확인함).


이번 연구결과는 광반응에서 생성된 양성자와 지구온난화 등의 문제가 되는 이산화탄소와추가적인 광반응을 통해 메탄, 메탄올 등의 청정연료로 변환하는 기술로도 응용이 가능합니다.

이는 궁극적으로는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 저감 시킬 뿐만 아니라 이를 자원화 해서 석유 자원을 대체할 수 있는 길을 열어 놓았다는 데 의의가 있습니다.

이번 연구결과는 에너지 환경분야의 저명한 학술지인 '에너지 앤 인바이런먼털 사이언스(Energy and Environmental Science)'지 1월 8일자 온라인 판(Advance Article)에 게재됐습니다.




  용   어   설   명

물산화 광촉매
: 물산화 광촉매는 태양광을 이용하여 전자와 정공(홀)을 생성한다. 이러한 광 여기된 전자와 정공을 이용하여 낮은 에너지로 물을 산소와 수소로 분해하는 것이 가능하다.
실용화를 위해서는 태양광의 대부분을 차지하는 가시광 영역의 빛을 이용할 수 있는 광촉매의 개발이 필요하다. 현재 대부분의 광촉매는 태양광의 매우 작은 부분을 차지하는 UV영역의 빛을 이용하기 때문에 효율이 현저하게 낮다는 문제점을 안고 있다.

이중금속 층상 구조
: 이중금속 층상구조(Layered Double Hydroxide)구조는 양이온으로 구성된 금속 산화물 층을 음이온이 전하 균형을 맞춰주며 층간 구조를 형성하고 있는 물질이다.
이중금속 층상구조 광촉매의 경우, 산화수가 서로 다른 두 종류의 금속이온이 금속 산화물 층을 형성하고 있다. 따라서 가시광 하에서 여기된 전자 및 홀이 이중금속간에 전이되어 효율적인 물산화를 통하여 산소를 발생하는 것이 가능하다.
양자역학 계산을 통하여 이러한 이중금속 층상 구조 광촉매의 전자구조를 예측하는 것이 가능하며, 이와 같은 디자인을 통하여 물을 분해하여 수소 및 산소를 발생하는 광촉매, 혹은 이산화탄소를 환원하여 메탄 및 메탄올 등의 청정연료를 생산하는 광촉매로도 활용이 기대된다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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