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중국 둥베이 사범대학(Northeast Normal University), 길림 사법대학(Jilin Normal University), 일본 도쿄 이과 대학(Tokyo University of Science)의 연구진은 물 분해 반응에서 광촉매의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 수소는 물 분자를 빛으로 분리함으로써 생성되는 청정 에너지원이다. 그러나 현재 대량 생산이 불가능하다. 이번에 개발된 방법은 물 분해 반응을 스케일-업할 수 있는 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 화석 연료의 고갈과 점점 심해지는 지구 환경 오염으로 인해서 과학자들은 청정 에너지원을 찾는데 점점 많은 노력을 기울이고 있다. 수소는 친환경 연료로 사용될 수 있기 때문에 수소 생성은 뜨거운 연구 주제이다. 아직 수소를 대규모를 생산할 수 있는 에너지 효율적이고 저렴한 방법을 찾지 못했지만, 다양한 기술들이 제안되고 있다. 이러한 기술들 중의 하나는 물을 수소와 산소로 분리하기 위해서 빛과 촉매를 사용하는 것이다. 촉매는 결정질 구조를 가지고 있고, 측면 사이의 계면에서 전하를 분리하는 능력을 가지고 있다. BiVO4(bismuth vanadate) 결정 촉매도 동일한 특성을 가지고 있다. BiVO4는 가시광선으로 여기될 때 전하 분리를 발생시킬 수 있는 물질로서 최근에 물 분해 반응을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 이번 연구진은 십면체(decahedral) BiVO4 결정 촉매의 전하 분리 특성을 개선할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 최근 연구에 따르면, 특정 결정의 서로 다른 면 사이의 계면에서 캐리어가 생성되고 분리될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그러나 BiVO4의 경우에, 캐리어를 분리하는 힘이 계면에서 약간 떨어져 생성되는 전자-홀 쌍에서 너무 약하다. 그래서 이번 연구진은 이런 특성을 향상시키는 연구를 수행하게 되었다. BiVO4 나노결정을 물속에 침지된 두 개의 단자 사이에 위치시킨 후에 고전압을 가함으로써 “용액 플라즈마 방전(solution plasma discharge)”에 노출되게 된다. 플라즈마 방전은 결정의 특정면의 표면에서 일부 바나듐(V) 원자를 제거하여 바나듐 공공(vacance)를 남긴다. 이러한 공공은 캐리어의 분리를 증가시키는 “전자 트랩”으로서 작용한다. 이러한 공공은 BiVO4 나노결정의 촉매 성능을 증가시켜서 물 분해 성능을 향상시킨다. 이 연구는 물 분해에 효과가 없는 광촉매 결정들을 사용할 수 있는 새로운 길을 열어줄 것이다. 용액 플라즈마를 사용하면 결정화를 활성화시켜서 광촉매 특성이 매우 향상될 수 있다. 또한 용액 플라즈마 방전은 종래의 기체 플라즈마 방전에 비해서 기술적 및 경제적인 관점에서 훨씬 더 매력적인 장점들을 가지고 있다. 즉, 용액 플라즈마 방전은 밀폐된 공간이 아니라 상온 및 대기 분위기에서 사용될 수 있다. 이 연구는 지구에 해로운 화석 연료 대신에 친환경적인 수소를 생산할 수 있는 효율적인 방법에 한 걸음 더 가깝게 다가갈 수 있게 할 것이다. 지구에서 가장 풍부한 자원 중의 하나인 햇빛과 물을 사용해서 수소 에너지를 효율적으로 생산할 수 있다면 한층 더 밝은 미래가 우리에게 다가 올 것이다. |
