H2 production via Water-splitting
물 분해 · 수소 생산


수소 생산은 지속 가능한 사회를 향한 유망한 열쇠입니다. 
수소는 천연가스, 원자력, 바이오매스와 같은 다양한 국내 자원에서 생산될 수 있지만 태양광, 풍력과 같은 재생 에너지에서도 생산될 수 있습니다. 
본 연구실에서는 광, 전기 및 광전기 촉매 물 분해 시스템의 개발을 위해 재료 과학에 대한 지식을 수소 및 산소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction, 
HER 및 oxygen evolution reaction, OER) 촉매의 활성 부위에 적용하여 이관능성 나노 물질 촉매 제조를 연구했습니다. 
최근 연구에서는 인접한 활성 부위 사이의 시너지 효과를 발견할 수 있었고, 추가로 상 변형 경향과 공간 배열의 모호성을 유발하는 개별 나노 구성 요소에 대한 
합성 조건 최적화의 어려움을 이해하는 것을 목표로 하고 있습니다. 
최근에 연구실에 설치된 “광촉매 라인(photocatalytic line)”은 온라인 가스 크로마토그래피(gas chromatography) 측정으로 정확한 가스 검출을 제공하며 
이는 촉매 분야에서 새로운 재료 후보 개발에 이상적입니다.

핵-껍질 융복합나노구조체 기반 표면 플라즈몬 효과에 의한 전기촉매 활성 향상 연구

본 연구는 금 나노입자를 핵 (core)로 채택하고 그 표면에 산화 그래핀의 
적층을 통해 외곽의 전기촉매제와의 간격을 조절하여 수소 및 산소 생성 
반응에 대한 촉매 활성의 향상 정도를 확인했습니다. 
또한 가시광선에 의해 향상된 광전기 촉매 활성의 메커니즘을 확인하기 
위해 실시간 X-선 흡수 스펙트럼을 측정하였으며, 이를 통해 플라즈몬 공명 현상에 의해 향상된 기본적인 물성 및 화학적 특성을 관찰하였습니다. 
본 연구로 하이브리드 전기촉매 구조체에서 플라즈몬 나노입자와 관계된 광학적 특성과 전기촉매 입자에서 유래하는 전기촉매 기능을 분리하여 
고찰할 수 있으며, 표면 플라즈몬 여기 현성에 의한 전자 발생 및 근접장 
강화 현상 등 복합적인 효과로부터 팔라듐 (Pd) 나노입자의 d-오비탈 내의 전자배치에 영향을 주어 전자 밀도가 집약적으로 강하게 형성되는 것을 
관찰할 수 있었습니다.


2차원 rGO/La2Ti2O7/NiFe-LDH 하이브리드 광촉매를 통한 수소생성 연구

본 연구에서는 태양광 조사 시 광촉매에서 생성되는 전자와 전공을 효과적으로 분리하기 위하여 광촉매 역할을 하는 란타늄 티타네이트 (LTO)에 수소 생성을 담당하는 환원된 그래핀 (rGO) 조촉매와 물 산화 역할을 담당하는 NiFe-적층산화물 (NiFe-LDH) 조촉매를 자기 조립 기법을 통하여 적층 구조로 합성하였습니다. 
또한 이렇게 두 가지의 조촉매를 담지하는 광촉매는 가시광 조사 시 조촉매를 담지하고 있지 않는 광촉매와 하나만의 조촉매를 가지는 광촉매보다 현저히 높은 수소 생성 효율을 보였습니다. 
또한 여러 번의 재사용 실험 후에도 수소생성 효율이 유지되었습니다. 
이러한 연구결과는 앞으로 차세대 에너지원인 수소를 효율적으로 생성해낼 수 있는 유력한 모델로 제시되었습니다.

Ni 및 Ru 기반 물 분해 전기 촉매 설계 연구

본 연구에서는 루테네이트 나노시트의 표면에 Ni2P 부분을 성장시켜 
다양한 Ni/Ru 비율로 물을 분해하는 Ni/Ru 기반 이기능성 전기촉매를 개발했습니다. 
개발된 전기촉매는 여러 특성화를 통해 구성요소 간의 상호 작용이 결과로 나타나는 형태학적 변화, 상 변형에 대한 예상치 못한 경향 및 통합된 기능의 전반적인 안정성을 나타냈습니다. 
낮은 Ni/Ru 비율에서 XPS 결과는 5 nm(NiO) 미만의 좁은 Ni 기반 도메인이 빠르게 산화되는 것으로 나타났습니다.​
대조적으로, 높은 Ni/Ru 비율에서 산화에 대한 저항성이 우수한 Ni2P에 기인하는 더 큰 덩어리가 발견되었습니다. 
바람직한 산소 진화 반응 및 수소 진화 반응특성은 특정 Ni/Ru 비율에서 나노 구성요소 간의 통합 및 상호작용에 따라 조정될 수 있었습니다.

향상된 광전기화학적 물분해를 위한 TiO2 역오팔 광촉매의 플라즈몬 효과 연구

본 연구에서는 광전기화학적 물 분해 시스템을 설계하기 위한 혁신적인 접근 방식을 제안했습니다. 본 연구진은 상향변환 나노결정 (UCN)과 
플라즈몬 금나노입자를 TiO2 역오팔 구조로 통합하는 3차원 복합 광양극을 합리적으로 설계했습니다. 
일반적인 TiO2와 비교하여 Au/Er-UCN/TiO2 하이브리드는 광범위한 빛 조사하에서 광전류 밀도가 10배 개선된 것으로 나타났습니다. 
광전기촉매 성능 및 진화된 반응 생성물은 각 나노 구성 요소의 
역할과 체계적으로 상관되었습니다.

광촉매와 광전기촉매를 이용한 물분해 관련 교재 집필 참여

본 연구진은 광촉매와 광전기촉매를 이용한 물분해에 대한 교재를 집필에 참여하였습니다. 관련 장에서는 광전 장치와 광전기화학 플랫폼의 광전극을 통합하는 광촉매 기술 및 하이브리드 시스템의 개발에서 전반적인 물 분해에 대한 기본적인 과학적 요구 사항, 메커니즘 측면 및 개발 지평을 포괄적으로 다룹니다. 
벤치마크 광촉매 및 새로운 전략은 광 반응성 반도체 기반 재료, 매력적인 조촉매 및 플라즈몬 나노구조의 광범위한 라이브러리에 대한 개요와 평가된 합성 접근법 등이 있습니다. 따라서 독자는 태양열 구동 전체 물 분해 시스템을 위한 실용적이고 적절한 재료 개발에 대한 포괄적인 지침과 체계적인 검토의 혜택을 받을 것으로 예상됩니다.


​Representative works in PNML:

R. Boppella et al., ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 3780–3790
J.-E. Lee et al., Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1801144
F. Marques Mota et al., J. Mater. Chem. A 2019, 7, 639–646
R. Boppella et al., Appl. Catal. B 2018, 239, 178–186
T. Hou et al., Int. J. Hydrogen Energ. 2017, 42, 15126–15136
R. Boppella et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 
7075–7083