청정에너지원 수소 생산 효율 높이는 ‘인공 광합성’ 기능 향상
* 이리듐 착체 : 이리듐 원자를 중심으로 리간드가 결합된 물질로, 높은 광기능성을 띠어 광촉매, 바이오 이미징, 유기 태양전지, OLED 등에 응용되는 소재
* 감광제 : 가시광선을 흡수해 에너지로 변환시켜 주는 물질, 물을 분해해 수소를 생산하기 위해서는 에너지가 필요한데, 감광제가 이 에너지를 제공한다
서울대학교 재료공학부 박수영 교수와 황동렬 박사과정 연구원 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구) 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 9월 11일자 온라인판에 게재되었다.(논문명: Highly Efficient Photocatalytic Water Reduction Using Robust Ir(III) Photosensitizers with Arylsilyl-Substituents)
수소는 휘발유보다 2.75배 많은 에너지(수소 1g 당 122kJ)를 낼 수 있으며, 온실가스를 만들지 않아 청정에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 수소의 생산을 위해 대부분 재생이 불가능한 탄화수소 개질법을 이용하고 있어 친환경적인 공정을 개발하는 것이 관건이었다.
* 탄화수소 개질법 : 고온고압의 촉매반응기 안에서 천연가스와 같은 탄화수소를 수소로 변환시키는 공정으로 흡열반응이어서 에너지 생산효율이 높지 않다.
연구팀은 테트라페닐실란 기능기를 도입하여 기존 최고 효율의 이리듐 착체 감광제와 비교하여 분자활성을 2배 이상 끌어 올릴 수 있는 감광제를 비롯해, 이 감광제가 만든 에너지로 물을 분해해 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발해냈다.
개선된 감광제는 물 1리터에서 100리터 이상의 수소 기체를 생산할 수 있는 수준의 분자활성(turn over number) 17,000을 기록했다. 이는 기존 유기금속 착체 감광제 중 가장 높은 수준이다.
감광제의 분자활성을 높여 수소생산 효율을 향상시킴으로써 기존 탄화수소 개질법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
* 테트라페닐실란 : 실리콘 원자를 중심으로 4개의 벤젠고리가 치환된 기능기, 큰 부피로 입체장애를 유도해 주변물질로부터 물질을 격리시키는 효과를 갖는다.
분자활성 개선의 핵심은 감광제의 광안정성을 증진시킨 데 있다.
기존 감광제는 물이나 유기용매로 인해 분해되어, 더 이상 감광제로서의 역할을 하지 못하는 한계가 있었다.
그러나 본 연구에서 부피가 큰 테트라페닐실란 작용기를 도입한 결과, 물 혹은 기타 유기용매의 공격으로부터 감광제를 보호해 수소생산 효율을 장시간 유지시킨다는 사실을 확인했다.
특히 테트라페닐실란 도입에도 불구하고 전기적, 광학적 특성에는 영향을 거의 주지 않았다.
박 교수는 “무한한 에너지원인 태양광과 지구상에 가장 많은 자원인 물로부터 수소를 효과적으로 생산할 수 있는 인공 광합성 시스템을 위한 연구의 토대를 마련한 것”이라고 밝혔다.
웹사이트: http://www.msit.go.kr/web/main/main.do
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미래창조과학부
기초연구진흥과
김래수
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