Photocatalytic water splitting and CO2 reduction reactions are ideal reactions that convert renewable solar energy to chemical energy. Since Fujishima and Honda reported photoelectro chemical water splitting reaction using TiO2, numerous metal oxide based photocatalysts have been developed. However, a great part of photocatalysts have large band gap energies which can only absorb the ultraviolet region. Moreover, most of studies have conducted with poorly controlled photocatalysts in terms of size and morphology of metal oxide particles and adjacent metal co-catalysts. Recently, researchers have focused on development of photocatalyst working under visible light based on well defined nanostructures. Rational design of the photocatalyst structures using nanosynthetic technology can improve photocatalytic performances including activity, stability, and conversion efficiency.
In the present study, we have tried to synthesize metal and metal oxide-semiconductor hybrid nanoparticle structures with well-defined morphologies with Pt-CdSe, Au-TiO2, and CuO2-ZnO systems. These nanostructures were employed as model catalysts for photocatalytic energy generation reactions. Detailed mechanisms and particular factors affecting conversion efficiencies were carefully investigated. Such rational design and well-defined morphology of the hybrid nanostructures would help to understand fundamental chemical nature of the photoinduced catalytic reactions and provide essential information to develop actual processes of energy generation.
In Part 2, we demonstrate the effect of noble metals (Au and Pt) with distinct geometric structures on CdSe nanorods for photocatalytic hydrogen production. The choice of metals and their locations significantly affect photocatalytic activity of the hydrogen generation.
In part 3, we report the synthesis of TiO2 hollow shell nanoparticles and their hybrid structures with metals including Au and Pt. It is possible that metals attach to TiO2 inner or outer Shell selectively without aggregation and this synthetic protocol could provide opportunity to find out properties of photocatalyst depended on the conformational structure.
In Part 4, we introduce the synthesis of Cu2O/ZnO hybrid nanoparticles which has the ZnO core and Cu2O Cubic branch on the ZnO surface and apply to photocatalytic CO2 reduction. The preliminary result showed that Cu2O/ZnO hybrid nanostructure has high selectivity for methane generation during photocatalytic CO2 reduction.
재생가능한 태양광을 이용하여 수소생성이나 이산화탄소 환원과 같은 에너지 생성반응에 적용하는 연구는 미래의 에너지원을 확보할 수 있는 중요한 일이다. 후지시마와 혼다가 반도체에 빛을 조사하여 물을 분해 시키는데 성공한 이후 이를 이용한 많은 연구들이 진행되어 오고 있다. 지금까지의 대부분의 연구는 촉매 덩어리를 이용하고 모양이나 크기가 잘 조절되지 않은 상태에서 이뤄져 오고 있다. 최근 나노 기술의 발달로 크기나 모양, 혹은 조성이 잘 조절된 나노입자를 이용하여 에너지 생성 반응에 적용시키려는 연구들이 진행되고 있고, 이러한 결과들로 비춰볼때 구조가 잘정의된 나노입자의 합성을 통하여 광촉매의 활성과 안정성 선택성등을 증가시킬수 있을것으로 예상된다.
본 연구에서는 카드뮴셀레나이드 나노막대의 한쪽이나 양쪽끝에 금이나 백금을 붙인 구조와 , 금과 타이타니아 혼성 구조체 또한 산화구리와 산화아연 혼성구조체를 합성하여 에너지 생성반응에 적용하였고, 구조와 조성에 따른 반응성에 대해 알아보았다. 잘정의된 구조의 합성을 통하여 빛을 이용한 광촉매 반응의 반응과정에 대한 이해도를 높이고 에너지 효율이 더욱 높은 촉매의 합성에 도움이 되는 정보를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
2장에서는 금이나 백금이 카드뮴셀레나이드 나노막대의 한쪽이나 양쪽에 붙은 구조를 사용하여 수소생성반응에 적용하였고, 금속이나 구조체의 형태가 광반응에 크게 영향을 미친다는 것을 확인 할 수 있었다.
3장에서는 속이빈 타이타니아구조체를 합성하고, 금이나 백금을 타이타니아 표면에 담지하거나 선택적으로 붙이는 합성법을 고안하였다.
4장에서는 산화구리, 산화아연 혼성구조체를 합성하고 이산화탄소 환원반응에 적용하였고, 기존의 촉매에 비하여 메탄생성반응에 높은 선택성을 보이는 것을 확인 하였다.
