나노기술 및 정책 정보

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­ 화학석유 연료(燃料) 자체는 지속가능성이 되지 않고 있으며 화학석유 연료를 연소함에 따라 이산화탄소가 배출되어 온실 효과가 발생되고 환경오염 문제가 발생하는 등 세계적인 문제들이 발생하고 있다. 이런 상황은 재생가능한 태양 에너지를 클린적인 화학 에너지로 전환시켜 지속가능한 성장을 실현할 수 있는 신에너지로 되게끔 추진하는 등 재생가능 에너지 개발과 활용이 이슈로 되고 있다. 특히 광촉매로 물을 분해하여 수소를 개발하는 연구는 세계 여러 나라 과학자들의 관심사로 되고 있다.

­ 그래핀(Graphene)의 특수한 전도(导电) 성능은 광촉매 분야에서 잠재적 응용가치가 있다. 중국 '국가 나노과학 센터(国家纳米科学中心)'위 궁졘루(宫建茹) 연구원 연구팀은 최근에 '그래핀(Graphene)-황화 카드뮴(CdS) 복합물질'을 연구 개발하여 가시광(≥420 nm)이 조사(照射)하는 상황에서 광촉매로 물을 분해하여 수소를 제조하는 실험을 성공적으로 실행하였다.

­ 궁졘루 연구원 연구팀의 실험 결과에 따르면, 그래핀 포함량이 1.0 wt%에 도달할 때 수소 생성 속도 비율은 1.12 mmol·h-1에 달하며 관련 양자 효율은 22.5%(420 nm)에 달하여 동일한 조건 하에서 개발한 순수 황화 카드뮴 알맹이가 5배나 증가하는 것으로 나타났다.

­ 다양한 성능 테스트를 거쳐 연구팀은 그래핀이 추가되면 황화 카드뮴의 비율 표면 면적을 증가시키고 광촉매 반응의 활성 위치를 증가시킬 뿐만 아니라 반응을 그래핀 표면까지 확대시킨다는 점을 발견하였다. 더욱 중요한 점은 그래핀의 전도 성능은 황화 카드뮴 반도체 표면의 빛을 통해 생성된 전자와 공혈(空穴)의 복합 비율을 대폭 감소시키고 빛을 통해 생성되는 유동하는 이온의 수명을 연장시켜 수소 제조 속도를 대폭 향상시키는 것으로 나타났다.

­ 이번 연구를 통해 연구팀은 그래핀 베이스의 복합물이 에너지 환경 문제를 해결하는 면에서 중요한 응용 가치가 있다는 점을 입증하였다. 관련 연구개발 성과는 과학연구 논문으로 작성되어 2011년도의 JACS에 공식 발표되었다고 한다(Highly Efficient Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Production of CdS-Cluster-Decorated Graphene Nanosheets, DOI: 10.1021/ja2025454). (http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=461702&do=blog&id=462507）

­ 이번 연구는 '중국과학원(CAS)', '국가 자연과학 기금 위원회(NSFC)' 및 '국가 과학기술부(MOST)' 지원을 받아 추진되었다고 한다.

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(a) 가시광 촉매로 물을 분해하여 수소를 개발하는 반응 표시도

(b) 다양한 비율의 그래핀-황화 카드뮴 복합물질이 가시광 조사 하에서 수소를 생성하는 속도 비율

  출처 : http://www.nanoctr.cas.cn/xwdt/kyjz/201107/t20110707_3302791.html