나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 연구팀은 광전압 이미징을 이용하여 강유전 반도체 광촉매 마이크로 나노 사이즈 전하 분리 과정에 대한 연구에서 전기 필드 분리 광 생성 전하 관련 새로운 메커니즘을 해석하는데 성공.

광촉매 과정에서 태양 에너지 전환 효율을 향상시키는데 있어서 핵심 과제는 광 생성 전자와 공공 분리 효율을 향상시키는 것이며, 내부 전기 필드 구축은 전하 분리를 향상시키는 효과적인 수단이 되고 있으며, 강유전 반도체 재료는 일반 반도체 재료와 달리 자발적인 극화를 통해 강유전 전기 필드를 생성시키는 특징을 가지고 있음.

강유전 재료 내부 전기 필드의 이론 수치는 105kV/cm 수준에 달하고 있지만 실제 광촉매 과정에서의 효율은 매우 낮으며, 강유전 광촉매의 전하 분리 효율을 향상시키는 이번 연구에서 표면 광 전압 이미징을 이용하여 PbTiO3 단일상의 강유전 광촉매 파우더 속 강유전 전기 필드가 광 생성 전하 분리 과정에서 발휘하는 역할 메커니즘을 해석하는데 성공하였음.

연구팀은 전통적 의미에서의 표면 극화 모델과 달리 강유전 자발 극화로 인해 전기 필드는 광 생성 전하 분리에서의 주요 구동력으로서 전하 분리 효율을 결정하게 된다는 점을 발견하였으며, 단일 범주의 강유전 PbTiO3 파우더 속에서 광 생성 전자와 공공은 각각 두 개의 대칭되는 {001} 결정 면(面) 상에서 직접 분리시키는 동시에 전하 분리 능력과 광촉매 활성은 파우더가 극화 방향의 두께 증가에 따라 증가될 수 있도록 한다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 표면 에너지 밴드가 휘어드는 상황에서 일정 공간 전하 층 두께보다 클 경우 전하 분리의 기여도는 특정 수치에 집중되며, 이런 상황은 강유전 재료 내부의 극화 퇴화 필드가 전하 분리의 주요 구동력 역할을 발휘하게 된다는 결론을 도출하였음.

이번 연구는 마이크로 나노 사이즈 상에서의 강유전 광촉매 디자인 및 전하 분리 향상을 위해 중요한 기술 기반을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’지에 게재됨.