나노기술 및 정책 정보

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물속의 입자를 이용한 광촉매는 태양 광에서 연료를 생성하는 유망한 기술임. 이러한 태양열 연료를 저렴하고 풍부하게 생산하는데 있어 한 가지 주요 장애물은 효율적이지만 부식되기 쉬운 반도체가 필요하다는 것임.

이 문제를 극복하기 위해 미국 예일대 연구진은 획기적인 새로운 코팅으로 그 해결책을 찾음.

물을 수소와 산소로 분해하는 물 분해 시스템은 좁은 밴드 갭(태양 광을 더 많이 흡수할 수 있는 속성)을 가진 반도체 재료가 필요함. 이는 태양 에너지를 화학 에너지로 효율적으로 변환함. 이러한 물질은 햇빛을 쉽게 포착할 수 있지만 모두 자체 감소 또는 자체 산화를 통해 조명 아래에서 부식됨.

이러한 물질을 보호하기 위한 방법은 광촉매에 필수적이지만 태양전지와 같은 다른 시스템보다 달성하기 어려운 과정인 음 전자와 양 정공의 전하를 분리하는 능력을 제한하는 경향이 있음.

일반적으로 이러한 시스템을 보호하도록 설계된 레이어는 시스템의 두 전극 중 하나, 즉 음극 또는 양극만 보호하여 전자 또는 정공의 수송을 허용하도록 제한함.

그러나 두 반응의 공진화를 위한 이 새로운 유형의 광촉매를 만들기 위해 연구진은 광 흡수 물질(광 흡수제라고 함) 내에서 생성된 두 전하를 코팅을 통해 이동시켜 환원 및 산화 반응에 도달하게 함.

연구진은 이러한 좁은 밴드 갭 반도체를 위한 매우 효과적인 보호 방법을 개발하여 광 반응 동안 안정화 시켰으며, 이는 기존의 보호 설계보다 더 많은 것을 필요로 함.

3nm 두께의 산화 티타늄으로 만든 코팅은 광 흡수제를 컨포멀하게 캡슐화하고, 코팅 위에는 조 촉매 역할을 하는 금속 나노입자가 로드됨. 이 구조는 광촉매가 조 촉매 부위와 베어 코팅 표면에서 동시에 다른 반응을 수행할 수 있도록 함.

이 시스템은 쉽게 확장할 수 있도록 설계되었으며 좁은 밴드 갭 반도체를 사용하여 1.7%의 기록적인 높은 에너지 변환 효율을 달성하면서 150시간 이상 안정적으로 유지되었음. 이는 유사한 재료의 다른 시스템에 비해 훨씬 더 긴 시간임.

본 연구 성과는 Proceedings of the National Academy of Sciences ("A coating strategy to achieve effective local charge separation for photocatalytic coevolution")에 게재됨.