녹색 기술 혁신: 태양광 에너지를 사용하는 적철광 광촉매는 수소와 과산화수소를 동시에 생성합니다.

녹색 기술 혁신: 태양광 에너지를 사용하는 적철광 광촉매는 수소와 과산화수소를 동시에 생성합니다. 날짜: 2022년 4월 27일 원천: 고베 대학 요약: 태양광 에너지를 사용한 수소 생산(태양수 분해)은 탄소 중립 기술로의 전환을 모색하는 과정에서 많은 관심을 받았습니다. 건강 및 식품 산업에 응용되는 화학 제품이 수소와 동시에 생산될 수 있다면 이는 태양열-물 분해 비용을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기술의 응용 범위를 늘리는 데 도움이 될 것입니다. 태양광 에너지를 사용한 수소 생산(태양수 분해)은 탄소 중립 기술로의 전환을 모색하는 과정에서 많은 관심을 받았습니다. 건강 및 식품 산업에 응용되는 화학 제품이 수소와 동시에 생산될 수 있다면 이는 태양열-물 분해 비용을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기술의 응용 범위를 늘리는 데 도움이 될 것입니다. 이 연구에서 고베 대학의 부교수 Tachikawa et al. 기존에 개발한 적철광 광촉매의 표면을 개질함으로써 수소뿐만 아니라 과산화수소를 안전하고 저렴하고 안정적으로 생산할 수 있다는 사실을 발견했다. 과산화수소는 소독, 표백, 토양 개량 등 다양한 용도로 사용됩니다. 공동 연구팀은 적철광(*1) 광촉매(*2)를 사용하여 태양광과 물에서 수소 가스와 과산화수소(*3)를 동시에 생성하는 데 성공했습니다. 팀에는 고베 대학의 다음 구성원이 포함되었습니다. 부교수 TACHIKAWA Takashi(분자광학 연구센터) 교수 TENNO Seiichiro(시스템 정보학 대학원/과학기술혁신대학원), TSUCHIMOCHI Takashi 부교수(대학원 of System Informatics) et al. 탄소중립사회를 실현하기 위한 노력에서 태양광 에너지를 이용한 CO2 - free 수소 생산이 주목받고 있습니다. 건강 및 식품 산업에 응용되는 화학 제품이 광촉매 매개 태양 수분해를 통해 수소와 동시에 생산될 수 있다면 훨씬 더 큰 부가가치를 지닌 태양 물 분해 활용 시스템을 개발할 수 있을 것입니다. 적철광 중간결정(*4)은 넓은 범위의 가시광선을 흡수할 수 있습니다. 이 연구에서 Tachikawa et al. 두 가지 다른 금속 이온으로 도핑된(*5) 메조결정으로 전극을 제조함으로써 수소뿐만 아니라 과산화수소를 안전하고 저렴하며 안정적으로 생산할 수 있다는 것을 발견했습니다. 과산화수소는 소독, 표백, 토양 개량 등 다양한 용도로 사용됩니다. 연구 그룹의 다음 목표는 이 기술을 구현하는 것입니다. 개발된 광촉매 전극의 고효율을 지속적으로 개선하면서 사회적 구현을 향한 단계로서 전지를 소형 모듈로 조립하려고 노력할 것입니다. 그들은 또한 다양한 재료와 반응 시스템으로 이 중간결정 기술을 개발할 계획입니다. 이것은 나고야 대학의 지속 가능성을 위한 재료 시스템 연구소(교수 MUTO Shunsuke)와 일본 싱크로트론 방사선 연구소(JASRI)(오하라 고지 수석 연구원 및 INA Toshiaki 연구원)와의 공동 연구 프로젝트였습니다. 이 결과는 2022년 3월 23일 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Publishing Group) 온라인 고급판에 게재됐다. 중요 점 적철광 자체는 과산화수소 생성에 적합하지 않습니다. 다른 금속 이온(주석과 티타늄)으로 적철광을 도핑하고 이를 소결함으로써 연구원들은 고활성 복합 산화물 조촉매(*6)를 개발했습니다. 수소에 추가하여 현장에서 과산화수소를 생산할 수 있는 능력은 태양열 물 분해 비용을 줄이고 기술의 적용 범위를 늘리는 데 기여할 것입니다. 과산화수소는 소독, 표백, 토양 개량 등 다양한 용도로 사용됩니다. 연구배경 전 세계적으로 환경 및 에너지 문제가 증가함에 따라 수소는 차세대 에너지원으로 주목받고 있습니다. 이상적으로 광촉매는 태양광과 물을 사용하여 수소를 생산할 수 있지만 이러한 시스템이 산업적으로 채택되기 위해서는 10%의 전환율을 달성해야 합니다. 이 효율성을 달성하더라도 수소 비용이 원하는 값에 도달하지 않을 것이라는 지적이 나왔다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 수소와 동시에 다른 유용한 화학물질을 생산할 수 있는 고부가가치의 경쟁력 있는 차세대 태양열 수처리 시스템의 개발이 강하게 요구되고 있습니다. 그들의 이전 연구에서 Tachikawa et al. 광촉매에서 나노입자를 정밀하게 정렬하여 전자와 그 정공의 흐름을 제어하는 '메조결정 기술'을 개발했습니다. 최근에는 이 기술을 적철광에 적용하여 광에너지 변환 효율을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 지금까지 적철광은 과산화수소 생산에 적용되지 않았습니다. 이 연구에서 연구원들은 주석과 티타늄 이온의 복합 산화물로 적철광 표면을 수정함으로써 매우 효율적이고 선택적인 방식으로 과산화수소와 과산화수소를 모두 생성할 수 있음을 발견했습니다. 연구 방법론 메조크리스탈 기술: 광촉매 반응에서 전환율 저하를 일으키는 주요 문제는 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 분자(이 경우 물)와 반응하기 전에 재결합한다는 것입니다. Tachikawa et al. solvothermal 합성을 통해 고도로 배향된 나노입자를 가진 적철광 메조결정의 3D 구조를 생성했습니다(*8). 또한, 전도성 유리 기판에 메조결정을 코팅하고 소결하여 물 분해를 위한 메조결정 광전극을 개발할 수 있었습니다. 도펀트 분리를 통한 산화수소 생성을 위한 조촉매 형성: 일반적으로 적철광을 사용한 광촉매 물 분해는 물의 산화로 인해 산소가 생성됩니다. 이 적철광을 주석 이온(Sn 2+ )과 티타늄 이온(Ti 4+ )으로 도핑한 다음 700°C에서 소결하면 주석과 티타늄 도펀트가 분리되어 복합 산화물 (SnTiOx ) co- 과산화수소 생산을 위한 높은 선택성을 가진 촉매). 이 구조적 변화는 SPring-8(*9) 시설에서 빔라인 BL01B1 및 BLO4B2를 사용하여 싱크로트론 기반 X선 총 산란 측정을 수행하고 전자 에너지 손실 분광법(*10)이 통합된 고해상도 전자 현미경을 사용하여 밝혀졌습니다. . 광촉매 형성 및 성능: 인공 태양광을 조사한 광촉매 전극에 전압을 가하면 물 분해 반응이 촉진된다. 연구진은 수소 생산 효율과 과산화수소 선택도를 나타내는 광전류 밀도와 패러디악 효율(*11)을 각각 조사했다. 광촉매에 금속 이온 중 하나만 도핑하면 수소 및 과산화수소 생성에 긍정적인 영향과 부정적인 영향이 있음이 밝혀졌습니다. 반면에 Sn 2+ 와 Ti 4+ 로 도핑된 적철광 은 매우 효율적이고 매우 선택적인 방식으로 수소와 과산화수소를 동시에 생성할 수 있습니다. 또한, 첫 번째 원리 계산(*12)은 SnTiO적철광의 x 조촉매는 두께가 수 나노미터인 SnO 2 /SnTiO 3 층으로 구성되었습니다. 추가 개발 연구팀은 광촉매로 사용되는 적철광의 표면을 개질해 기존에 생산되지 않았던 과산화수소를 고효율, 선택적으로 생산하는 데 성공했다. 다음으로 연구원들은 광촉매 전극을 더욱 최적화하고 업계와 협력하여 태양광을 활용한 수소 및 과산화수소 생산을 위한 현장 시스템을 개발할 계획입니다. 그들은 또한 다른 금속 산화물 및 반응 시스템에 대한 응용 프로그램을 개발할 계획입니다. 용어집 1. 적철광(α-Fe 2 O 3 ): 산화철 광석의 일종. 적철광은 안전하고 저렴하며 안정적일 뿐만 아니라(pH > 3) 광범위한 가시광선(약 600nm 미만)을 흡수할 수 있습니다. 2. 광촉매: 빛의 조명과 관련된 반응의 촉매로 활용될 수 있는 물질. 광촉매는 빛을 흡수하는 전도성 유리 기판(FTO glass)에 적용됩니다. 전극으로 사용되며 광촉매 양극 또는 광양극이라고도합니다. 본 연구에서는 물 분자를 분해하여 수소를 생성하는 반응에 광촉매를 사용하였다. 3. 과산화수소: 과산화수소(H 2 O 2 )는 소독제, 세제, 화장품, 표백제 및 정수와 같은 광범위한 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다. 과산화수소의 대부분은 대규모 화학 공장에서 수행되어야 하는 안트라퀴논 공정을 통해 생산되며 유기성 폐기물과 CO 2 를 발생 시킵니다. 또한 과산화수소는 불안정하여 운송 비용이 많이 들고 안전성에 대한 우려가 있습니다. 그러나 이 연구 그룹은 안전하고 저렴하며 친환경적인 공정을 통해 액체 H2O2를 합성하는 방법 을 개발 했습니다 . H 2 O 2 는 O 2 보다 시장 가치가 더 높습니다.따라서 수소와 동시에 과산화수소를 생산하면 수소 생산 비용도 줄일 수 있습니다. 4. 메조결정: 3차원적으로 정렬된 나노입자로 구성된 다공성 결정 구조. 수백 나노미터 또는 마이크로미터 크기로 2~50나노미터 사이의 나노입자 사이에 기공이 있습니다. 5. 도핑(Doping): 결정에 소량의 다른 물질을 첨가하여 물리적 특성을 변경하는 것. 도펀트 확산은 결정 구조 내부에서 발생하며, 이에 의해 표면에 증착되는 현상을 도펀트 편석이라고 한다. 6. 조촉매: 광촉매와 결합하여 반응을 촉진시키는 물질. 이 연구에서는 과산화수소 생성을 촉진하기 위해 주석과 티타늄 복합 산화물을 사용했습니다. 7. 빛 에너지 변환 효율: 반응에 사용된 빛 입자의 양(출력)을 입력된 빛 입자의 양으로 나눈 값. 8. 용매열법(solvothermal method): 고온 고압에서 용매를 사용하여 고체를 합성하는 방법. 9. SPring-8: 일본 효고현 Harima Science Park에 위치한 SPring-8은 현재 세계에서 가장 강력한 싱크로트론 방사선을 제공하는 대형 싱크로트론 방사선 시설입니다. 싱크로트론 복사는 거의 빛의 속도로 가속된 전자빔이 자기장에 의해 곡선 경로로 이동하여 고도로 집중된 강력한 전자기 복사를 생성할 때 생성됩니다. 나노기술, 생명공학 및 산업 응용을 포함하여 싱크로트론 방사선을 사용하는 광범위한 연구가 Spring-8에서 수행됩니다. SPring-8은 RIKEN이 관리하고 JASRI(Japan Synchrotron Radiation Research Institute)가 사용 촉진을 담당합니다. 10. 전자 에너지 손실 분광법(Electron energy loss spectroscopy): 입사된 전자빔이 샘플의 전자를 여기시킬 때 손실되는 에너지를 측정하여 샘플의 구성 및 요소의 결합 상태를 분석하는 분광법 기술. 이 기술을 주사 투과 전자 현미경과 결합하여 미세한 영역을 고해상도로 분석할 수 있습니다. 11. 패러데이 효율: 전기화학적 반응(이 경우 수소 및 과산화수소 생성)을 촉진하는 시스템으로 전달되는 총 전류의 백분율. 12. 제1원칙계산: 밀도함수이론에 기초하여 물질 내부의 전자의 움직임을 계산하는 방법. 표면 에너지 흡수 특성과 고체 또는 입자의 최적 구조를 계산할 수 있습니다. 13. Anode : 전기화학에서 산화반응이 일어나는 전극 14. 음극: 전기화학에서 환원반응이 일어나는 전극