이종접합 밴드갭 설계를 통해 광수확 효율을 획기적으로 높인 광촉매를 제조하고 귀금속을 사용하지 않는 입자형 광촉매의 1) 수소생산효율 10 mmol/g·h 달성, 2) 광촉매를 광전극으로 제조하여 전류밀도 10 mA/cm2 (@1.23VRHE) 달성, 3) 광전극 대면적화에 따라 소면적 대비 최대 광전류밀도 50% 달성.

- 복합구조 광촉매 개발 - 광화학적 수소생산 - 광전기화학적 에너지 생산 2차년도) 고효율 다성분계 광촉매 활용 광전극 특성 연구 광효율이 높은 다성분계 광촉매 재료를 이용하여 광전극을 제조하고 광전기화학적 특성 연구를 진행하고자 함. 다성분계 광촉매 조합을 기반으로 광전극을 제작함으로서 광 발생 전하의 분리능을 극대화시키고 valence band/conduction band 배치에 따라 전자와 정공의 이동 능력을 증가시켜 전기 신호로 나타나는 photoactivity를 최적화 하고자 함. 다종 접합 구조를 활용하여 박막을 스핀코팅 처리하여 광전극을 제조하고 광전기 신호를 측정하여 최대 전류밀도를 나타내는 최적의 물질 조성 비율을 찾아내고자 함. 이를 통해 linear sweep voltammetry (LSV) 결과가 특정 전압 하에서 전하 재결합을 최소화하고 최대 전류 특성을 확보하는 연구를 수행하고자 함. 또한, LSV 데이터를 이용해 applied bias photon to current conversion efficiency (ABPE)를 계산하여 전하의 효율적 분리와 이동특성을 평가하고자 함. Chronoamperometry를 이용하여 광전극의 광원에 대한 응답 특성을 확보하고 광부식 저항력이 확보된 고효율의 광전극을 완성하고자 함. 특히 장시간 운전에 따른 광전류 유지 능력을 평가하여 이후 산업적 응용이 가능한 광전극 특성도 확보하고자 함. Impedacne spectrocopy 평가를 통해 RLC 회로를 규명하고 궁극적으로 광전극과 전해질 사이의 저항 특성을 알아보고자 함.

1차년도) 현재까지 보고된 태양광 에너지 변환 관련 광촉매 소재는 TiO2, TiO2 복합산화물, 반도체 금속산화물 등이 주를 이루고 있으며 광효율 또한 수% 내외로 매우 낮은 편임. 다양한 성분의 금속산화물계 광촉매 물질을 대상으로 하여 전자·정공의 발생·분리 효율을 높일 수 있는 band 에너지 구조를 설계하여 고효율 다성분계 반도체 광촉매를 제조하고자 함. 예를 들어, ZnS core입자에 ZnO 산화막 shell을 도입하고, 이때 core에 존재하는 결정구조의 interstitial sulfur 또는 zinc vacancy 원자들에 의한 전이 band를 활용하여 효율적인 charge separation으로 흡수된 광에너지 활용의 극대화하가 가능하다고 판단됨. 또한, 다성분계 반도체 산화물 광촉매에 금속도핑을 통해 interfacial charge transfer를 향상시켜 산화·환원에 의한 반응효율을 높이는 것도 가능할 것으로 판단됨. 다양한 반도체 물질 광촉매 재료 후보군으로부터 차세대 태양광 에너지 활용을 위한 다성분계 광촉매 연구의 기초 자료를 위해 밴드갭 엔지니어링을 통한 다성분계 광촉매를 제조하고 고효율 광수확 능력을 확보하고자 함. 다성분계 광촉매는 각 성분의 에너지 준위에 따라 valence band/ conduction band가 서로 다른 여러 물질을 조합하여 전자·정공으로 분리된 charge들의 재결합을 최소화할 수 있도록 재료를 설계하고 구현함으로써 광수확 능력을 극대화하고자 함. 2차년도) 광효율이 높은 다성분계 광촉매 재료를 이용하여 광전극을 제조하고 광전기화학적 특성 연구를 진행하고자 함. 다성분계 광촉매 조합을 기반으로 광전극을 제작함으로서 광 발생 전하의 분리능을 극대화시키고 valence band/conduction band 배치에 따라 전자와 정공의 이동 능력을 증가시켜 전기 신호로 나타나는 photoactivity를 최적화 하고자 함. 다종 접합 구조를 활용하여 박막을 스핀코팅 처리하여 광전극을 제조하고 광전기 신호를 측정하여 최대 전류밀도를 나타내는 최적의 물질 조성 비율을 찾아내고자 함. 이를 통해 linear sweep voltammetry (LSV) 결과가 특정 전압 하에서 전하 재결합을 최소화하고 최대 전류 특성을 확보하는 연구를 수행하고자 함. 또한, LSV 데이터를 이용해 applied bias photon to current conversion efficiency (ABPE)를 계산하여 전하의 효율적 분리와 이동특성을 평가하고자 함. Chronoamperometry를 이용하여 광전극의 광원에 대한 응답 특성을 확보하고 광부식 저항력이 확보된 고효율의 광전극을 완성하고자 함. 특히 장시간 운전에 따른 광전류 유지 능력을 평가하여 이후 산업적 응용이 가능한 광전극 특성도 확보하고자 함. Impedacne spectrocopy 평가를 통해 RLC 회로를 규명하고 궁극적으로 광전극과 전해질 사이의 저항 특성을 알아보고자 함. 3차년도) 광촉매 후보군들과 광전극 특성 최적화 연구에서 확보된 결과를 바탕으로 광에너지 저장 및 응용 시스템을 구축하고 실질적인 광전환·저장 효율 특성을 파악하고자 함. 최적 전극 특성이 확보된 광전극 소재를 통해 광활성 전자를 효율적으로 저장하기 위한 반응시스템의 저장특성(전류전압, 전류시간, 저항 변화), 저장된 전하를 빠른 응답시간에 회수하여 사용할 수 있는 역반응시스템의 회수특성(전류응답능력) 등의 기초 물성 database를 확보하고 시스템의 장기사용 안정성을 확보하고자 함. 태양에너지 저장을 위한 다성분계 광촉매의 최적 조합 확보·제조 및 전극특성 극대화에 기반한 산화·환원 반응시스템을 구축하고자 함.

(1) 차세대 광전기화학 수전해 photocathode 물질 개발 및 특성조절 기초연구 다양한 반도체물질을 대상으로 입자형 광촉매를 개발하고 이를 활용하여 전자·정공 생성 효율을 높일 수 있는 최적의 밴드 구조를 탐색하여 고효율 반도체 광촉매를 제조하고자 함. 이후 band gap engineering을 통해 복합구조 광촉매의 광수확 효율을 향상시킬 수 z-scheme구조 물질을 확보하고자 함. 고용량 연속 광전기화학 수전해 cell 설계를 위한 최적의 양극 물질 조합을 도출하고 전지화 하고자 함. (２）차세대 광전기화학 수전해 photoanode 물질 개발 및 특성조절 기초연구 산화반응 효율이 높은 비귀금속 촉매 후보군을 선정하고 후보군들의 표면/구조 개질을 통해 특성조절 기초연구를 진행하고자 함. 물산화용 조촉매 스크리닝을 통해 각 촉매별 효율비교를 하고 특성에 따른 융합 후보군을 선정하고자 함. 선정된 후보군의 융합개질, 표면/내부 나노화로 효율 최적화를 진행하고자 함. 융합반도체 전극의 광전기화학적 특성 평가, pH, 온도, 전해액 등 실험조건을 최적화, 및 광전기화학적 특성을 평가하고자 함. (3) 양자 계산 기반 광전기화학 수전해 물질 최적화 및 특성조절 연구 Explicit solvation model을 활용하여 고체/액체 계면에서의 band bending 현상, 비귀금속 기반의 광전기화학 수전해 물질의 광전기화학적 특성 계산, 데이터베이스화를 추진 하고자 함. 최적화된 광전기화학 수전해 물질 후보군을 도출, 전극의 반응기구 규명, 고효율 광촉매 반응의 전극 물질들을 핵심 인자들의 최적 설계를 하고자 함. 최종적으로 얻은 데이터베이스 기반 Z-scheme 복합 구조의 광전기화학 수전해 전극 물질을 도출하고자 함.