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지금의 에너지 및 환경 문제를 해결하는데 있어서 태양광으로 물을 전해하여 수소제조하는 것은 매우 중요한 연구의미가 있으나 현재 개발한 촉매제가 태양광 반응 범위, 광생성 캐리어 분리효율, 안정성 및 수소제조 활성 등 면에서 많은 문제가 존재한다. 예를 들면 자주 사용되는 티타니아(titania) 재료는 적외선 구역에서만 작용하여 태양에너지 이용효율을 제한한다. 가시광선에 반응하는 황화카드뮴 재료는 효율이 비교적 낮고 안정성도 떨어진다. 따라서 고효율적인 제조, 안정적인 가시광선으로 수소를 제조하는 촉매체계는 여전히 아주 큰 도전이다. 중국과학원 복건물질구조연구소 구조화학 국가중점실험실 연구원 Jian Zhang, Lei Zhang이 이끄는 무기합성화학팀은 반응 메커니즘을 근거로 일련의 티타늄 산소 클러스트(Titanium oxygen cluster)에 기초한 복합 광촉매 재료시스템을 설계하였다. 용제의 열반응을 통해 단계별로 황화카드뮴 나노 미립자와 티타늄 산소 클러스트를 다공틀 재료 MIL-101에 원위치 자가 조립하여 가시광선 흡수가 양호한 3요소 복합재료를 만든 동시에 3요소 사이 협동효과로 인해 귀금속이 보조촉매제로 사용되지 않은 조건에서 태양광 전해 수소제조 효율이 CdS/MIL-101 2요소 재료에 비해 큰 제고를 가져왔다. 더욱 의미가 있는 것은 티타늄 산소 클러스트에서 수식하는 유기 리간드의 컬레(cotree)특성의 변화를 통하여 3 요소 재료체계의 촉매활성에 대해 더 한층 최적화하여 최종적으로 수소제조 속도를 50배 가까이 제고시켰다. 스펙트럼과 전기화학 분석에 의하면, 동 복합체계에서 티타늄 산소 클러스트는 전자이전매개체로 광생성전자를 황화 카듬뮴 미립자에서 다공재료 표면에 분산시켜 전하-홀 분리를 촉진하고 촉매활성을 제고시킨다. 동 연구 성과는 티타늄 산소 클러스트에 기초한 고효율 가시광선으로 수소를 제조하는 촉매체계를 건립하였을 뿐만 아니라 분자범위에서 촉매활성을 제어하고 최적화하는 효과적인 도구를 제공하였다. 관련성과는 ldquo;선진재료 rdquo;(Adv. Mater. 2017, 29, 1603369)에 발표되었다. 동 연구는 과기부 ldquo;973 rdquo;계획, 국가기금위원회 ldquo;무기-유기혼성기능재료 rdquo;혁신단체, 중국과학원 ldquo;신흥 및 교차영역 rdquo;프로젝트, 중국과학원 전략성 선도과학기술 특별프로젝트(B류형)과 국가걸출청년기금의 지원을 받았다. 동 연구단체는 세계 최초로 풀러린(fullerene)형 티타늄 산소 클러스트(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2556) 및 현재 세계에서 제일 가장 높은 핵 Ti52클러스트(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7480)를 합성하고 티타늄 산소 클러스트의 band engineering(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5160)을 체계적으로 연구하였으며 티타늄 산소 클러스트 부하형 금속 유기틀 박막의 제조를 실현하였다. 이번 연구는 촉매활성으로 수소를 생성율을 현저히 제고하여 광활성화를 높인 결과로 사료된다. |
