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최근, 중국과학원 심천선진기술연구원의 연구원인 유학봉(喻学锋) 연구팀은 흑인/백금 비균일 구조의 광촉매를 성공적으로 제조하였는데, 태양광에 의해 구동되는 유기 촉매 반응에서 뛰어난 광촉매 활성을 보여주었다. 관련 연구는 lsquo;Black phosphorus/platinum heterostructure: a highly efficient photocatalyst for solar-driven chemical reactions rsquo;라는 제목으로 《 Advanced Materials 》온라인판에 발표되었다. 촉매반응은 현재 화합물의 생산에서 가장 유효한 방법으로 여겨진다. 그러나 촉매반응은 종종 재생 불가능한 에너지를 대량 소모하여 열에너지를 얻어 반응을 촉매하게 되는데 이로 인해서 자원의 고갈과 환경 오염등 문제가 발생한다. 따라서 광촉매 기술을 발전시키고, 직접 태양에너지를 이용하여 화합물을 합성하고자 하는 연구는 미래 전망이 밝다. 그 가운데 가장 중요한 것은 고효율의 넓은 범위의 반응물을 촉매할 수 있는 광촉매의 개발이라고 할 수 있다. 현재 널리 연구되고 있는 2차원 반도체 흑인은 조절할 수 있는 직접적인 밴드갭을 가지고 있고, 흡수범위도 넓고, 광결합 효율이 높고, carrier의 전이율도 빠르며 비표면적도 크고, 촉매 활성 위치도 많다는 장점을 갖고 있다. 그러나 안정성이 높지 않고, 빛에 의해 생산되는 carrier의 복합이 너무 빠르다는 등의 문제가 있다. 반도체-금속 비균일 물질의 구조는 빛에 의해 생기는 전자와 홀을 빨리 포획할 수 있다. 따라서, 전하 carrier의 수명을 연장하고 Schottky결합 광촉매의 전하 분리와 이용효율을 높여야 한다. 이번 연구에서 연구팀은 일종의 새로운 흑인/백금 비균일구조를 설계하여 。태양에너지는 최고 효율로 유기 반응을 촉매하는 것을 실현하였다. 전기부하가 아주 작은 (약 1.1nm) 백금 나노입자와 흑인 나노입자 사이의 강한 상호 작용으로 인해서 흑인 표면에서 PtPxPy의 강한 산화층이 형성되어서 흑연나노입자의 안정성이 급격히 증가하는 동시에 비균일 구조가 태양에너지를 효율적으로 흡수하게 되고 그 흡수 범위도 태양광자외선에서 적외선까지 이르렀다. 펨토초 펌프 마이크로 광학 현미경을 통해서 흑인/백금 비균일 구조가 0.12 펨토초의 초고속 태양광전자 전이시간을 갖는다는 것을 보여주었다. In situ X선 광전자 에너지스펙트럼)실험과 밀도함수이론계산을 통해서,빛에 의해 생성된 전자가 백금나노 입자의 표면에 효율적으로 농축되었음을 보여주었다. 태양광에 의해 구동되는 유기수소첨가반응과 유기산화반응의 모사 실험 후에 흑인/백금 비균일 구조는 다른 기타 백금 촉매에 비해서 촉매효율이 훨씬 높아서 전통적인 열에 의한 촉매 효율을 훨씬 능가하였다. 이러한 새로운 흑연/백금 광촉매에 의해 유기반응을 촉매함으로써 광범위하게 응용될 수 있음을 보여주었다. 이 연구는 금속/반도체 비균일 구조의 촉매의 제조에 있어서 참고할 만한다. 이 연구팀은 특허를 신청하고 연구소의 인큐베이션 센터를 통해 산업화를 진행 중이다. 이 프로젝트는 중국과학원 프론티어 중점 연구 프로젝트로서 심천시 기초연구 분배국, 중국박사후 과정 기금등의 지원으로 이루어졌다. |
