Water Splitting by Photocatalysts

Here are two old-fashioned ways to get hydrogen; reforming of fossil fuels(96%) and electrolysis of water (4%). The former is not eco-friendly due to the carbon dioxide coming from the process, and the letter is inefficient because it costs too much to use electric energy. Thus, there are a lot of researches for producing hydrogen energy with eco-friendly and efficient ways by utilizing infinite solar energy. At present, the most ideal way to force solar energy into a source of hydr-ogen energy is photochemical reaction where light absorbable photocatalyst decomposes water into hydrogen and oxygen. This method can be called as the most ideal process to make hydrogen because it uses water (which is abundant in earth) and sunlight (that is most ultimate energy source); furthermore, by-product oxygen is quite beneficial material.

There have been many studies to develop diverse photocatalysts since the fact that TiO2 single crystal electrode can decompose water under light irradiation was reported in 1972. But, there is a serious limit that hydrogen production can be done only in ultraviolet region because most photocatlysts have big more than 3eV- bandgap energy. To effectively harvest solar energy, we need photocatalysts showing activity in the visible region(400nm~700nm; 1.77~3.1eV) for splitting water; because ultraviolet region only occupies 5% of whole solar spectrum. Therefore, there are a lot of researchers who spur developing visible light photocatalysts.

Our group synthesized perovskite-structure material, and it displayed outstanding quantum yield comparing with preexisting photocatalysts. And recently, we developed the oxide photocatalyst showing STH(solar to hydrogen) 3% with support by 21st Century Frontier Center. We have been conducting various researches such as cation(anion) substitution method, intercalation to make visible light photocatalysts for hydrogen production, and now we are focusing on making nano-composite oxide photocatalysts and composite photocatalysts.

광촉매를 이용한 물분해

현재 수소를 얻기 위해 사용하는 방법에는 화석연료의 리포밍(96%)과 물의 전기분해(4%) 두 가지가 있다. 전자는 수소 생산 과정에서 이산화탄소가 발생하기 때문에 친환경적이지 못하며, 후자는 에너지원으로 전기에너지를 이용하기 때문에 수소의 생산 단가가 매우 높아 비경제적이다. 그러므로, 지구상에 거의 무한정 공급되는 태양에너지를 이용하여 친환경적· 경제적으로 수소에너지를 생산하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 태양에너지를 수소에너지원으로 전환하려는 방법들 중 가장 이상적인 것은 직접 빛에너지를 흡수할 수 있는 광촉매(Photo-catalyst)로 직접 물을 분해하여 수소를 제조하는 광화학반응기술이라 할 수 있다. 궁극적인 에너지원인 태양광과 풍부한 물을 이용하여 수소를 생산해내고 부산물로 얻어지는 산소 역시 효용가치가 크다는 점에서, 광촉매를 이용한 기술은 가장 이상적인 수소생산방법이라고 할 수 있다.

1972년 TiO2 단결정 전극에 빛을 비추면 물이 분해된다는 사실이 보고된 이후로 현재까지 많은 연구자에 의해 다양한 광촉매들이 개발되었지만, 대부분의 광촉매들이 3eV 이상의 큰 밴드갭 에너지를 가지고 있어 자외선 영역에서만 수소 제조가 가능하다는 한계점을 가지고 있었다. 자외선은 전체 태양광영역에서 불과 5%정도만을 차지하므로 효율적인 태양광에너지의 이용을 위해서는 태양광의 거의 절반을 차지하는 가시광선(400~700nm; 1.77~3.1eV)하에서 물분해 활성을 나타내는 광촉매의 개발이 절실하게 되었으며, 전 세계적으로 많은 연구자들이 가시광 광촉매의 개발에 박차를 가하고 있다.

본 연구실은 페로브스카이트(perovskite) 구조의 물질을 합성하여 자외선 하에서 기존의 광촉매들보다 뛰어난 양자 효율을 얻은 바 있으며, 최근에는 21세기 프론티어사업의 지원 아래 태양광 전환 수율이 3%인 산화물 광촉매를 개발하였다. 수소제조용 가시광 광촉매를 개발하기 위해 양이온(음이온)치환법, intercalation등의 다양한 연구를 수행해 왔으며, 현재는 nano-composite 형태의 산화물 광촉매 및 복합광촉매를 개발하기 위한 연구에 주력하고 있다.