Photocatalytic conversion of CO2 to other useful fuels using photocatalyst is the most environmentally friendly because it requires just pure water and solar energy. Promising product from this process is CH4, very attractive fuel due to high energy density. In order to obtain this fuel from CO2 using solar energy, it’s important to find suitable photocatalys. Recently, we found that Ga2O3 is the favorable photocatalyst with enough potential to reduce CO2. We prepared the mesopores β-Ga2O3 to enhance photocatalytic properties in spite of a single phase. Because there have been no report on inner mesoporous Ga2O3 structure. In addition, photoreduction of CO2 to CH4 using Ga2O3 has not yet been examined. In the present study, we first developed a novel structure of mesoporous Ga2O3 which have inner pores in their body and carried out photocatalytic conversion of CO2 to CH4 over it. The aim of synthesis of this structure is to improve photocatalytic efficiency without any co-particle, noble metal, and secrificial reagent.
Inner mesoporous novel Ga2O3 was synthesized by hydrolysis of gallium nitrate in ammonia solution with surfactant molecules. Synthesized mesoporous Ga2O3 showed monodispersed particles with uniform size and it consists of inner pores with disordered orientation as confirmed from SEM and TEM images. XRD data revealed that the synthesized Ga2O3 have cryctallinity with monoclinic β-phase. From the gas adsorption properties measurements, the BET specific surface area for the mesoporous Ga2O3 is 42.7 m2g-1, while that of ref-Ga2O??3 is 20 m2g-1 . The average pore size for the mesoporous Ga2O3 is 3.8 nm with a narrow distribution. In the volumetric CO2 adsorption measurement, mesoporous Ga2O3 have about three times higher adsorption ability than ref-one.
The photocatalytic conversion of CO2 to CH4 was carried out over mesoporous Ga2O3 as a function of reaction time in the presence of CO2 and pure water vapor under photoirradiation for 10h. After light irradiation, a large amount CH4 (156 ppm) was produced from the CO2 photoreaction, while ref-Ga2O3 produce the CH4 by 38 ppm. The amounts of product obtained by mesoporous materials were around four times higher than those obtained by ref-one. From these data, it could be found that mosopous Ga2O3 has higher photocatalytic ability, which is explained by its high surface area and high uptake of carbon dioxide. The high surface area is favorable because photocatalytic reactions are generally occurred on the surface of catalyst. In addition, mesoporous Ga2O3 showed high adsorption of carbon dioxide under 1 bar condition, which resulted in enhanced photocatalytic CO2 conversion rate compared to that of ref-Ga2O3.
In this study, the novel morphology of mesoporous Ga2O3 was synthesized and it is revealed that the mesoporous Ga2O3 showed enhanced photocatalytic conversion of CO2 to CH4 due to its high surface area and high uptake of carbon dioxide. It is expected that similar results might be applicable to the other metal-oxide photocatalyst by generating mesopores within the structure.
광촉매를 이용하여 이산화탄소를 유용한 연료로 변환하는 인공광합성 기술은 세계적인 이슈이다. 이러한 이산화탄소의 변환방법은 물과 태양에너지만을 이용하기 때문에 가장 친환경적이며 지속 가능한 기술이다. 이 과정에서 생성하고자 하는 연료는 메탄으로, 단위질량당 가장 많은 에너지(55.7 kJ/g)를 내는 천연가스의 주요 성분인 유용한 연료이다. 태양에너지를 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 변환하기 위해서는 우수한 광촉매를 제조하는 것이 중요하다. 최근에 산화갈륨(Ga2O3)이 뛰어난 광촉매 특성과 이산화탄소 변환이 가능한 높은 환원준위까지 갖추고 있어 각광받고 있다. 아직까지 Ga2O3 내부에 포어를 형성시킨 구조는 개발되지 않았으며 또한 Ga2O3를 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 변환한 연구도 현재 보고되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 새로운 구조와 형태의 메조포러스 Ga2O3광촉매를 합성하고, 이 물질을 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 변환하는 연구를 처음으로 수행하였다. 본 연구의 목적은 이러한 독특한 구조의 Ga2O3를 이용하여 기존물질 대비 향상된 광촉매적 특성을 얻고 이산화탄소의 효율적인 메탄 변환에 있다.
내부에 메조포어를 형성한 Ga2O3 광촉매는 질산갈륨과 계면활성제를 이용하여 제조하였다. 합성된 메조포러스 Ga2O3는 균일한 사이즈의 파티클을 형성하였으며 SEM 및 TEM이미지를 통해 파티클 내부에 기공이 존재함을 확인할 수 있었다. 메조포러스Ga2O3는 3.8 nm의 메조포어를 가지며 BET 표면적이 42.7 m2g-1 으로 기존Ga2O3의 20 m2g-1에 비해 약 두 배 이상 큰 표면적을 나타내었다. 게다가 반응 가스인 이산화탄소 흡착에 있어서 메조포러스 Ga2O3는 기존물질에 비해 약 3배 정도 많은 흡착량을 보였다. 이러한 Ga2O3광촉매를 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 변환하는 반응을 측정한 결과 메조포러스 Ga2O3는 메탄을 156 ppm 정도 생성한 반면 기존Ga2O3는 38 ppm생성함으로써 이산화탄소로부터 메탄 변환효율이 메조포러스 Ga2O3경우 약 4배 높은 효율을 나타내었다. 메조포러스 Ga2O3의 높은 포면적과 이산화탄소 흡착 능력이 이산화탄소 변환 특성을 향상시키는데 기인하였음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 독특한 구조의 메조포러스 Ga2O3를 개발하고 이산화탄소를 메탄으로 변환하는 광촉매 반응의 효율을 향상시킴으로써 인공광합성을 향한 가능성을 제시하였다.
