도쿄대학 화학시스템공학 교수인 Kazunari Domen, NIMS(National Institute for Materials Science) 산하 GREEN(Global Research Center for Environment and Energy Based on Nanomaterials Science)의 연구원인 Tsuyoshi Takata 및 박사후과정 연구원인 Chengsi Pan은 이전보다 더 넓은 스펙트럼의 가시광선 영역에서 물을 분해할 수 있는 새로운 광촉매를 개발하는데 성공하였다.
청정 재생에너지는 태양에너지와 광촉매를 이용해 물을 수소와 산소로 분해함으로써 생산할 수 있다. 그러나 기존에 개발된 물분해 광촉매의 대부분은 자외선 하에서만 활성을 나타내며 일부만이 500nm까지의 가시광선 하에서 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 태양에너지를 높은 효율로 활용하기 위해서는 더 긴 파장의 빛을 활용할 수 있는 새로운 광촉매의 개발이 필요하였다. 이를 위해 더 낮은 에너지의 빛에도 작동할 수 있는 광촉매가 개발될 필요성이 있지만, 물분해 반응을 위해 필요한 에너지는 더 낮기 때문에 새로운 재료 설계를 필요로 하였으며, 이는 매우 어려운 일이기도 하였다.
본 연구에서 600nm 하에서도 작동이 가능한 물분해 광촉매가 처음으로 개발되었으며, 전자구조가 장파장의 빛을 흡수하는데 적당한 전이금속 oxynitride를 사용하였다. 개발 과정에서 기존의 두 가지 페로브스카이트 타입의 화합물인 LaTaON2 및 LaMg2/3Ta1/3O3 (La: lanthanum, Ta: tantalum, O: oxygen, N: nitrogen, Mg: magnesium)으로 구성된 고용체(solid solution)를 만들었으며 전자구조도 수정되었다.
이를 통해 가시광선 하에서 물분해를 가능하게 하는 LaMg1/3Ta2/3O2N 고용체를 제조하였으나, 광촉매의 분해 및 역반응이 동시에 발생하기 때문에 일정한 물분해 반응을 달성하기 어려웠다. 이 문제를 해결하기 위해, 광촉매 입자 표면을 한 층의 무정형 oxyhydroxide로 코팅함으로써 광촉매의 분해와 역반응이 억제되도록 하였다. 이 oxyhydroxide 코팅은 광촉매 표면에서 화학반응의 속도를 조절하는 역할을 한다.
본 연구결과는 물분해 광촉매 개발에 새로운 효과적인 방법을 제공해 주고 있다. 또한 이 방법을 다른 광촉매 물질에 적용함으로써, 더 높은 활성을 가진 광촉매의 탄생도 기대해 볼 수 있게 되었다. 현재 양자수율이 여전히 낮은 상태이며 향후 수율의 개선이 필요하다.
본 연구에는 도쿄대학 Yuichi Ikuhara 교수 연구팀도 참여하였다. 또한 본 연구는 JSPS(Japan Society for the Promotion of Science), MEXT(Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology) 및 GRENE(Area of Advanced Environmental Materials, Green Network of Excellence)의 자금 지원을 받아 수행되었다.
본 연구결과는 Angewandte Chemie 국제판에 게재되었으며, 내용의 중요성이 높이 평가받아 저널의 표지에도 소개되어 있다.
원문정보: "A Complex Perovskite-Type Oxynitride: The First Photocatalyst for Water Splitting Operable at up to 600 nm," Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201410961
