Photochemical water oxidation using solar light is an essential way to provide electrons for artificial photo-synthesis. To achieve an efficient artificial photosynthesis system, highly-active and robust water oxidation catalysts are critically required. Iridium oxide (IrO2) has been considered as a promising candidate material because of its low overpotential for water oxidation. In this thesis study, IrO2 nanoparticles decorated on nanofibrous titanium oxide (TiO2) scaffolds are synthesized as a water oxidation catalyst. Electrospinning technique was introduced to fabricate the nano-sized 1-D structure of TiO2 scaffolds. The IrO2/TIO2 hybrid nanofibers were prepared by mixing iridium nanoparticles and TiO2 nanofiber solutions, followed by heat treatment. The size and amount of IrO2 nanoparticles were controlled using the different concentration of iridium precursor solutions. The catalytic effect of IrO2/TIO2 hybrid nanofibers on water oxidation was confirmed using cyclic voltammetric analysis and oxygen evolution test. IrO2 nanoparticles with a diameter of 10 nm on the hybrid nanofibers showed higher turnover number (TON) than those of 30 nm-size IrO2 nanoparticles, and lower Ir contents on TiO2 nanofiber exhibited higher TON. The IrO2 nanoparticles on titanium nanofiber scaffolds could be used repeatedly without noticeable deactivation due to the high crystallinity of IrO2 nanoparticles on TiO2 scaffolds compared to IrO2 hydrate in a free solution. It was suggested that crystalline conjunction of TiO2 scaffolds and IrO2 nanoparticles facilitates the formation of high oxidation state on iridium oxide nanoparticles, which results in more efficient water oxidation activity of the IrO2/TiO2 hybrid nanofibers.
지구상의 화석연료가 고갈되어 감에 따라, 지속가능하고 친환경적인 에너지 개발의 필요성이 대두되고 있다. 무한한 태양에너지를 에너지 원으로 사용하는 식물의 광합성 과정을 모방한 인공광합성 시스템은 기존의 제한된 자원을 대체할 수 있는 중요한 기술 중 하나로 주목되어 많은 연구가 진행 중이다. 현재까지의 인공광합성 연구보다 더 성공적인 인공광합성 시스템을 구축하기 위해서는 태양 빛을 받아 물을 분해하여 전자를 얻는 과정인 물 분해 과정이 효율적으로 이루어져야 하는데, 이는 산화 금속 기반의 촉매를 이용하는 것이 가장 대표적인 방법이다. 본 연구에서는 산화 티타늄 나노 섬유 위에 물 분해 촉매로 널리 이용되는 산화 이리듐 나노 입자가 높은 결정성을 갖도록 배치된 물분해 촉매를 합성하였다.
산화 이리듐 나노 입자는 먼저 합성된 수화 산화 이리듐 콜로이드 용액이나 이리듐 콜로이드 용액과 산화 티타늄 나노 섬유 용액의 혼합, 용매의 증발을 통해 합성하였으며 나노 입자의 크기와 양을 조절하여 여러 종류의 시편을 제작하였다. 티타늄 나노 섬유는 널리 알려진 전기 방사 기술을 통해 제작하였다. 제작된 시편은 전기화학적, 광화학적 물 분해 반응을 통하여 크기와 양에 따른 전류발생, 산소발생 효율의 경향성을 확인하였으며, 산화된 광 감응제의 흡광도 변화를 통해 전자 전달의 빠른 정도도 확인할 수 있었다. 작은 입자는 광화학적 산소 발생 반응에서, 큰 입자는 전기화학적 전류 발생 반응에서 각각 높은 활성을 나타내었다.
또한 기존의 산화 이리듐 입자를 이용한 연구에서 수화된 콜로이드 용액에서 발견된 나노 입자의 응집이나 촉매의 재활용이 어려웠던 점을 해결하여, 안정적인 상태에서 오랜 기간 보관이 가능하고 수거, 세척 후 활성이 크게 떨어지지 않는 선에서 재활용이 가능한 촉매가 합성되었음을 확인하였다. 산화 티타늄은 산화 이리듐과 결정면에 결합이 일어날 때, 산화 이리듐이 물 분해 반응을 더 잘 일으키도록 원자 산화도를 높여 주는 역할을 하는 것으로 보인다.
이 같이, 본 연구에서 합성한 결정성 산화 이리듐 입자가 코팅된 산화 티타늄 나노 섬유는 인공 광합성 시스템의 물 분해 과정에서 효율적인 촉매로서의 역할이 가능하다는 것이 확인 되었다. 또한 기존의 촉매가 가지고 있던 단점을 해결함에 따라 효율적이고 지속 가능한 인공광합성 시스템의 구축에 적용될 수 있다는 점에 큰 의미가 있다.
