中 연구팀, 광촉매 광전하 이동의 진화 풀타임 및 시공간 이미지 촬영

[동포투데이 철민 기자] 최근 중국 과학자들은 광촉매의 광생성 전하 이동 및 진화의 풀타임 및 시공간 이미지를 촬영해 태양 에너지 광촉매 반응의 병목 현상을 극복하고 태양 에너지를 보다 효율적으로 사용하기 위한 새로운 이해와 연구 전략을 제공했다. 　　

태양광은 풍부한 재생에너지로 광촉매와 상호작용을 통해 물을 분해하여 수소를 생성하고 이산화탄소를 환원시켜 태양연료(태양광, 물, 탄소화합물로 전환되는 연료)를 생산할 수 있게 한다.

중국과학원에 따르면 이 연구는 중국 과학원 다롄 화물연구소 리찬(李灿) 원사, 판펑타오(范峰滔) 등 연구원이 수행했으며, 관련 성과는 12일 국제학술지 네이처에 게재됐다.

청정 에너지 생산에서 태양 에너지 광촉매 반응의 큰 응용 잠재력으로 인해 국내외 과학자들은 수년 동안 이 분야에서 많은 연구를 수행했다. 그러나 빛에 의해 생성된 전하가 화학 반응에 어떻게 분리, 전달 및 참여는지를 풀지 못했으며 오랫동안 이 핵심 과정의 기초 과학 문제는 명확하지 않았다. 

판펑타오 연구원은 “광촉매 과정에서 광생성 전자와 정공은 마이크로 나노입자 내부에서 분리돼 촉매 표면으로 옮겨져 화학반응이 시작되며 이 과정이 펨토초에서 초, 원자에서 마이크로미터까지 복잡한 시공간 척도를 뛰어넘기 때문에 이 과정의 미시적 메커니즘을 밝히는 것은 매우 어렵다”고 설명했다.

이 연구에서 연구자들은 시공간적 규모에서 연결할 수 있는 다양한 기술을 종합적으로 통합하여 광촉매 나노입자의 광전하 전달을 시공간적으로 감지하고 처음으로 하나의 광촉매 입자에서 표면 반응 센터로의 전자 및 정공의 전체 메커니즘을 추적했다. 또한 그들은 전하 분리 메커니즘과 광촉매 수분 분해 효율 사이의 본질적인 연관성을 명확히 했다. 

전하 이동을 시공간적으로 추적하는 능력은 에너지 변환 과정에서 복잡한 메커니즘에 대한 이해를 크게 촉진하고 더 나은 성능을 가진 광촉매를 합리적으로 설계하기 위한 새로운 아이디어와 연구 방법을 제공하게 된다.

리찬은 “이 성과는 태양광 광촉매로 물을 분해해 태양연료를 만드는 실생활에서의 응용을 촉진하고 보다 깨끗하고 친환경적인 에너지를 제공할 것으로 기대된다”고 밝혔다.