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독일 뮌헨 대학(Ludwig-maximilians-universitAt mUnchen)과 뷔르츠부르크 대학(University of WUrzburg)의 연구진은 일체형 촉매 시스템의 도움으로 완벽한 물 분리를 수행하는데 성공했다. 태양광을 이용한 물 분리는 저장 가능한 청정에너지를 생산하는 유망한 방법이다. 반도체성 나노입자 기반의 새로운 촉매는 ldquo;인공 광합성 rdquo;에 필요한 모든 반응을 촉진하는 것으로 증명되었다. 전 세계적인 기후 변화로 인해서 재생 가능한 에너지원으로부터 전력을 얻고 저장하는 효율적인 방법을 개발하는 것이 매우 필요하다. 광촉매로 물을 수소와 산소로 분리하는 것은 특히 매력적인 방법이다. 그러나 생물학적 광합성을 모방하는 이 프로세스를 효율적으로 구현하는 것은 기술적으로 매우 어렵다. 광자를 흡수하는 반도체성 나노입자들은 광촉매로서 활용될 수 있다. 광자의 흡수는 음으로 대전된 입자(전자)와 양으로 대전된 홀(hole)을 생성하고, 물 분자는 전자에 의해서 수소가 환원되고 홀에 의해서 산소가 산화된다. 물에서 수소 가스만을 생성하기를 원한다면 희생 화학 시약을 홀에서 빠르게 제거하면 된다. 그러나 완벽한 물 분리를 달성하기 위해서는 물의 산화를 느리게 수행하도록 홀을 유지해야 한다. 문제는 두 개의 반-반응(half-reaction)을 한 개의 입자에서 동시에 수행해야 하지만 대전된 것들이 재결합되지 않도록 해야 한다. 많은 종류의 반도체는 양으로 대전된 홀에 의해서 산화되고 파괴될 수 있다. 이번 연구에서는 반도체성 물질인 카드뮴 황산염 나노막대를 사용해서 이런 문제를 해결했고, 산화/환원 반응이 일어나는 영역을 공간적으로 분리했다. 나노막대의 첨단은 백금 입자들로 코팅되었다. 이번 연구진은 루테늄 기반의 산화 촉매를 측면 표면에 부착했다. 이런 기능기는 홀의 매우 빠른 전달을 가능하게 하고, 이것은 산소의 효율적인 생성을 촉진하고 나노막대의 손상을 최소화할 수 있다. 이 새로운 광촉매 시스템은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 특히, 이 연구는 화석 연료 대신에 태양 에너지를 사용할 수 있는 혁신적인 개념을 연구하는데 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Energy에 ldquo;All-in-one visible-light-driven water splitting by combining nanoparticulate and molecular co-catalysts on CdS nanorods rdquo; 라는 제목으로 게재되었다. |
