가시광을 활용하는 광촉매의 향상된 활성을 위한 속 빈 황화카드뮴 큐브와 이황화몰리브덴 시트의 이중 시너지 효과

Abstract

현재 주요 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료는 한정적인 매장량과 연소 시 발생하는 온실가스로 인한 환경오염 발생이라는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 화석연료를 대체할 신재생 에너지로 수소 에너지가 주목받고 있다. 수소 에너지의 원료가 되는 수소의 96%는 현재 화석연료로부터 생산되어 이산화탄소를 만들어내는 그레이 수소이다. 광촉매는 태양에너지를 화학 에너지로 변환하여 물을 분해해 수소를 생성할 수 있으며 별도의 온실 가스 배출이 없다는 점에서 주목받고 있다. 일반적으로 반도체를 광촉매로 사용하지만 단일 반도체의 경우 표면적이 작고 흡수할 수 있는 빛의 범위가 제한적이며 내구성이 낮기 때문에 두가지 이상의 반도체를 결합하여 위의 한계를 극복하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

촉매의 활성을 높이는 방법에는 모양을 조절하여 표면적을 증가시키는 방법과 활성이 좋은 입자를 내구성과 전하이동성이 우수한 지지체 위에 올리는 방법이 있다. 2.38 eV의 밴드갭을 가지는 CdS는 가시광선부터 근적외선에 해당하는 넓은 범위의 빛을 흡수하여 활성화되기 때문에 각광받는 한편, 낮은 공간 전하 분리, 느린 전하 이동 속도, 낮은 내구성의 한계로 단일 광촉매로 사용할 경우 낮은 광촉매 활성은 보인다. MoS2 시트는 넓은 표면적을 가지며 내구성이 뛰어나고 수소 생선 반응에 적합한 활성 사이트를 가지고 있다. 속이 빈 나노 구조가 가지는 투과성은 활성 사이트에서 다중 광 산란을 통해 광 활용도를 향상시키며 표면적을 넓히기 때문에 광촉매 활성을 높일 수 있다.

이 연구에서는 Cu2O 나노 큐브 입자를 MoS2 시트 위에 성장시켜 Cu2O/MoS2 이종 접합 헤테로 나노 구조체를 합성한 뒤 양이온 교환 방법을 통해 속 빈 Cu2S/MoS2 헤테로 나노 구조체(H-Cu2S/MoS2 HNSs)와 속 빈 CdS/MoS2 헤테로 나노 구조체 (H-CdS/MoS2 HNSs)를 합성하였으며 대조군으로 단일 Cu2O, H-Cu2S, 그리고 H- CdS 나노 큐브 입자를 선택하여 광촉매 활성을 비교하였다. 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경을 통해 속 빈 CdS 큐브 나노 입자와 MoS2 시트의 결합을 확인하였으며 X선 회절 분석법과 X선 광전자 분석법을 통해 각 광촉매의 결정구조와 표면 전자 거동의 변화를 확인하였다. 확산 반사 분광법과 Mott- Schottky 분석을 통해 수소 생성 반응 메커니즘을 알아보았다.

합성한 촉매의 활성을 비교하기 위해 수소 생성 반응을 가시광선 하에서 진행하였으며 H-CdS/MoS2 HNSs가 단일 H-CdS 큐브 나노 입자보다 10배 이상 높은 활성을 나타내었다. 뿐만 아니라 유기 오염물의 분해에서도 H-CdS/MoS2 HNSs는 동일 시간 내에 가장 많은 오염물을 분해하며 높은 활성을 보였으며 전기화학 임피던스 분광법에서 가장 낮은 저항을 보였다. 이는 CdS 큐브 나노 입자와 MoS2 시트 사이의 접합으로 인해 전하 분리 및 전달 기능이 향상되었으며 속이 빈 CdS 나노 입자 내부의 다중 산란으로 인해 표면적 증가 및 광흡수 효율이 증가하여 촉매 활성이 증가한 것임을 알 수 있다.