Energy and environmental problems are main factors that affect the sustainability of life. Researches for finding environmental friendly alternative energy with high efficiency have been done until now. Hydrogen is an alternative energy that is renewable and clean. Photocatalytic water splitting is one of many methods to produce hydrogen. $SrTiO_3$ is used as photocatalyst candidate because of its photosensitivity can be extended to visible light region. In this research, $SrTiO_3$ was doped with carbon to increase the photosensitivity to visible light area. The doped of carbon caused change in photoresponse of photocatalyst sytem to visible light region. Hence, the photocatalyst could harvest more light energy to generate more hydrogen. $SrTiO_3$ was also doped with lanthanum, and nano meter size of SiC was dispersed in photocatalyst system to form composite photocatalyst system. Since SiC has small band gap, it is able to absorb the light energy from visible light region. The performance of composite system showed significant enhancement with the existence of SiC in $SrTiO_3$ lanthanum doped particles.
$SrTiO_3$ was also tested for Z-scheme photocatalytic water splitting mechanism which is also called two-photon process. $SrTiO_3$ was doped with rhodium to enhance the evolution of hydrogen and coupled with $WO_3$ to produce oxygen. The two photocatalysts were attached to each other, and redox mediator solution was used to serve the transfer of electrons between two photocatalysts. The increasing of hydrogen generated was found by the increasing of rhodium doped in $SrTiO_3$. The apparent photocatalytic activity (APA) from each sample of photocatalyst was calculated, and compared with the APA result from other researches.
광촉매를 이용한 물 분해 반응에서 $SrTiO_3$의 광감응성을 증대시키기 위해 광촉매 샘플에서 $SiTiO_3$는 탄소와 도핑시켰고 SiC와 coupling시켰다. 탄소와 도핑된 $SrTiO_3$에서 탄소의 source로서 수크로오스의 첨가량은 25 wt.%, 50 wt.% 그리고 100 wt.%로 변화되었다. 광촉매 샘플은 결정성 관찰을 위해 XRD와 TEM으로 분석되었으며 탄소의 존재를 알기 위해 TGA와 SEM이 사용되었다. 수크로오스의 첨가는 결정 크기의 감소를 초래하였고 100 wt.%의 수크로오스가 첨가되었을 때에는 $SrTiO_3$ 의 더 높은 광반응 밴드갭을 일으켰다. 따라서 수소 발생은 7.6배로 증가하였다.
광반응 능력을 향상시키기 위해 $SrTiO_3$ 는 란탄(La)과 도핑되었고 수소 발생을 증가시키기 위해 SiC와 coupling되었다. 이 복합 광촉매 시스템은 서로 다른 밴드갭을 가진 두 광촉매로 구성되어 있다. 나노 미터 사이즈의 SiC는 $(Sr_xLa_{1-x})TiO_3$ 에 분산되었고 이 $(Sr_xLa_{1-x})TiO_3$ 는 작은 밴드갭을 갖고 있어 가시광을 포집할 수 있다. SiC로부터 여기된 전자는 $(Sr_xLa_{1-x})TiO_3$ 로 이동되어 물을 수소로 환원시키는데 쓰인다. SiC의 양은 시스템으로부터 생산된 수소의 발생률에 영향을 미친다. TEM의 EDAX 분석은 SiC의 양을 나타내는데 쓰였다. 따라서 가장 많은 SiC 양을 포함한 복합 광촉매 시스템에서 수소 발생은 $27 \micro mol/hr$까지 증대되었다.
본 연구에서는 Z-scheme 광촉매 물 분해가 $SrTiO_3:Rh-Pt/WO_3$ coupled photocatalyst을 이용하여 이루어졌다. 각각의 광촉매에 다른 전하를 인가함으로써 두 가지의 서로 다른 광촉매가 붙여졌고 이후 stirring solution에서 혼합시켰다. 광반응이 가시광 영역으로 확대되지 않았음에도 불구하고 로듐(Rh)이 도핑된 $SrTiO-3$ 는 수소 발생을 증대시켰다. $FeCl_3$ 는 두 광촉매 사이에서 전자의 이동을 촉진시키기 위해 산화-환원 mediator 용액으로서 사용되었다. 이 시스템으로부터 발생된 수소는 sacrificial agent로서 메탄올을 사용하였을 때 발생한 수소만큼 많지는 않았으나 실험 결과는 수소는 여전히 낮은 속도로 생산될 수 있음을 보여주었다. 이 결과는 Z-scheme 광촉매 물 분해는 복합 공정이고 pairing 광촉매에서도 좋은 성능을 보여줄 수 있음을 시사한다. 산화-환원 mediator 용액 역시 광촉매 시스템으로부터 높은 수소 발생률에 중요한 역할을 하고 있다.
본 연구로부터 생산된 광촉매의 뚜렷한 광활성을 다른 연구의 성능과 비교하였다. 결과는 본 연구에서의 광촉매 성능이 다른 것들보다 높음을 보여주고 있다. 본 연구의 광촉매의 가시광 하에서 성능을 보일 수 있는 APA의 최대값은 $(Sr_xLa_{1-x})TiO_3/SiC$ 샘플의$16 \micro mol/g.L.hr.W$ 이다. 이 결과는 분무 열분해 공정을 사용하여 얻은 광촉매의 성능에 관한 초기의 가정과 잘 일치한다고 볼 수 있다.
