구조 및 조성이 제어된 나노구조체를 활용한 고효율 광화학적/전기화학적 수소생성반응 촉매 개발
수소는 오염물질 발생 없이 물분해를 통해 생성될 수 있기 때문에 미래에너지로 각광받고 있다. 이 때문에 물분해를 통한 수소생성에 관한 연구는 활발하게 연구되고 있지만 낮은 촉매 활성으로 인해서 산업적으로 적용하기에 한계를 보이고 있다. 따라서 효과적인 수소생성을 위해서는 현재 촉매가 가지는 한계점을 개선하여 보다 높은 활성을 나타내는 촉매의 개발이 중요하다.
우선 광화학적 수소생성 효율을 증진을 위해, 조성이 제어된 비등방성(anisotropic) 구조의 나노입자개발에 관한 연구를 수행할 예정이다(그림 3). 비등방성 나노입자는 빛에 의해 형성된 전자(electron)와 정공(hole)이 원활하게 촉매 표면에서 반응 물질과 반응할 수 있다. 이 때문에 산화/환원 반응이 원활하게 진행될 수 있고, 이는 빛을 이용한 광화학적 수소생성 반응 활성을 증진시켜 줄 것으로 기대된다. 또한 전기화학적 수소생성반응 향상을 위한 구조제어 틈새합금 나노입자개발에 관한 연구를 진행 할 것이다. 틈새합금은 기존의 금속합금과 다르게 크기가 금속 원자에 비해 작은 수소, 붕소, 탄소 등이 금속 격자 사이로 주입된 구조를 가지고 있다. 이는 기존의 금속합금에 비해 보다 세밀하게 금속원자의 격자거리 및 전자구조를 제어할 수 있다. 이는 틈새합금 표면과 반응분자의 결합세기 및 경향을 기존 촉매보다 정밀하게 제어할 수 있음을 의미한다. 전기화학적 수소생성에서는 수소와 촉매사이의 결합세기가 최적의 세기가 접근할수록 수소생성이 높은 효율로 진행된다. 따라서 틈새합금에 투입되는 비금속 원자의 비율, 조성 그리고 최종 틈새합금 나노입자의 결정구조 제어를 통해서 새로운 개념의 틈새합금 나노입자를 합성하는 연구를 진행하고자 한다. 이를 통해 최종적으로 기존의 촉매를 뛰어넘는 수소생성반응 촉매를 개발하는 연구를 진행할 계획이다.
[그림 3] 비등방성 계층적 헤테로 나노촉매 합성 모식도.