나노기술 및 정책 정보

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●스위스 ETH Zurich의 Markus Niederberger 교수 연구팀이 정교한 전처리를 통해 기존보다 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 에어로겔 광촉매를 개발

나노입자 기반 에어로겔은 태양광을 이용하여 화학반응을 활성화하거나 가속화할 때 사용되는 광촉매로서 활용 가능

●광촉매 소재인 이산화타이타늄(TiO2)은 태양광의 자외선 영역(전체 태양광 스펙트럼의 약 5% 정도)만 흡수가 가능하여 보다 효율적이고 유용하게 사용되기 위해서는 보다 넓은 파장을 사용할 수 있어야 함.

●연구팀은 TiO2 나노입자 에어로겔을 질소로 도핑하여 산소 원자를 질소 원자로 대체하면 에어로겔이 더 넓은 태양광 스펙트럼을 흡수할 수 있다는 아이디어를 도출한 후 수소 생산에 핵심적인 역할을 하는 팔라듐(Pd)과 TiO2 나노입자를 이용하여 제조한 에어로겔에 암모니아 가스를 주입하여 질소 원자가 TiO2 나노입자 내부에 함유되도록 함으로써 보다 효율적으로 수소를 생산하는데 성공

●연구팀은 에어로겔 단일체(monolith)를 직접 배치할 수 있는 특수 반응기를 개발하여 물과 메탄올 증기를 반응기 안의 에어로겔에 주입한 결과, 물, 메탄올의 기체 혼합물은 기공을 통해 확산되어 TiO2와 팔라듐 나노입자 표면에서 수소로 전환

●팔라듐을 포함한 에어로겔은 팔라듐을 포함하지 않은 에어로겔보다 최대 70배 이상 더 많은 수소를 생산하였고 전환 효율이 크게 향상됨.

●연구팀은 개발한 에어로겔을 상업화하기 위하여 기체의 흐름을 가속화하기 위한 연구를 수행하고 있음.

※ 용어설명

- 광촉매(photocatalyst): 빛에너지를 흡수하여 광화학 반응을 개시하고 촉진하는 화합물

- 에어로겔(aerogel): 합성시 형성된 겔 구조를 그대로 유지한 상태에서 겔 구조 내 액체를 공기로 치환해 얻은 고다공성 나노구조 고체

※ ACS Applied Materials & Interfaces 게재(2021.11.03.), “Gas-Phase Nitrogen Doping of Monolithic TiO2 Nanoparticle-Based Aerogels for Efficient Visible Light-Driven Photocatalytic H2 Production”