Photocatalytic hydrogen production is sustainable and clean hydrogen production method. Using semi-conductor nanoparticles (NPs), hydrogen can be obtained from water and sun light both of which are sustainable. However, the photocatalytic hydrogen production has limitation for practical application so far. It is because of the limitation of capacity, high cost and low reactivity. In this study, novel approaches for fabrication of cheap and mass-producible photocatalysts were suggested.
At first, cheap and efficient photocatalysts were fabricated by simply mixing TiO2 NPs and CuO NPs. The two NPs combined with each other to form TiO2/CuO mixture in an aqueous solution due to the opposite surface charge. The TiO2/CuO mixture exhibited photocatalytic hydrogen production rate of up to 8.23 mmol h-1 g-1 under Xe lamp irradiation when the weight ratio of P25 to CuO was optimized to 10. Although the conduc-tion band edge position of CuO NPs is more positive than normal hydrogen electrode, the TiO2/CuO mixture exhibited good photocatalytic hydrogen production performance because of the inter-particle charge transfer between the two NPs. The detailed mechanism of the photocatalytic hydrogen production is discussed. This mixing method does not require a complicated chemical process and allows mass production of the photocatalysts.
Additionally, thermal deposition of electron acceptors on TiO2 using bottom heating was carried out. I demonstrated that bottom heating of the methanol aqueous solution containing TiO2 and H2PtCl6 precursor can fabricate Pt deposited TiO2. The heating process replaced UV illumination of photo deposition which is the most widely used noble metal acceptor deposition method. UV illumination has limitation on capacity due to the small beam diameter of light source. The thermal deposition method has potential application for mass-production for practical use.
Fabrication method of visible light responsive Cu/TiO2 by illuminating UV light on the mixture of TiO2 and Cu2O NPs also developed. By designing oxygen-free evacuated reaction chamber, Cu/TiO2 without oxida-tion of copper NPs was fabricated. The Cu NPs absorbed visible light by surface plasmon resonance and split water under visible light stably without photo-corrosion.
광촉매는 기존의 수소 생산 기술이 가지고 있는 단점을 보완할 수 있는 지속 가능하고 깨끗한 수소 생산 기술이다. 광반도체 나노 입자 물질을 이용해, 지속 가능한 에너지원인 물과 태양광만을 이용해 물을 분해해 수소를 얻을 수 있다. 하지만 광촉매 수소 생산 기술은 몇 가지 문제점으로 인해 상용화되지 못하고 있다. 대용량의 제조에 어려움이 있으며, 높은 생산 단가, 낮은 반응성 등은 해결해야 할 주요 과제이다. 이에 본 연구에서는 값싸고 대량 생산이 가능한 새로운 수소 생산용 광촉매 생산 기술 연구를 수행하였다.
먼저 TiO2 나노 입자와 CuO 나노 입자를 간단히 혼합함으로써 값싸고 효율적인 광촉매 물질을 제조하였다. 두 나노 입자는 수용액상에 분산되면서 서로 결합해 8.23 mmol h-1 g-1의 높은 수소 생산율을 보였다. 두 입자는 상이한 표면 전하로 인해 효과적으로 서로 흡착할 수 있었다. CuO의 컨던션 밴드 준위가 TiO2보다 높지만, 낮은 Fermi level로 인해 TiO2에서 생성된 전자를 효과적으로 받아들일 수 있었다. 입자 상호간의 전하 교환에 의해 TiO2에서 광여기된 전자는 hole과의 재결합 없이 CuO로 이동하였다. 이동한 전자는 CuO의 Fermi level을 높여 물을 환원시키기에 적합한 에너지 준위로 전자를 이동시켰다. 이에 따라 효과적인 광촉매 반응을 일으킬 수 있었다. 기존의 대량 생산 가능한 나노 입자를 혼합해 광촉매의 효율을 향상시킨 본 연구는 실제 산업에 응용 가능한 기술로 대용량 광촉매 수소 생산의 가능성을 보여줬다.
추가적으로, 가열을 통한 TiO2 표면의 Pt 증착 연구를 수행하였다. Hot plate를 통해 TiO2와 H2PtCl6 전구체 물질이 혼합된 용액을 가열함으로써 Pt/TiO2를 제조할 수 있었다. 기존에 가장 많이 쓰이는 Pt 증착 기술인 UV를 이용한 광증착 기술은 대용량 제조에 한계가 있다. 반면 UV를 가열로 대체한 본 연구는 대용량의 귀금속 증착 TiO2 제조 기술로서 의미가 있다.
마지막으로 구리 나노 입자의 surface plasmon resonance를 이용해 가시광 활성 Cu/TiO2 광촉매를 제조하였다. 내부를 진공으로 만들어 추가 산화를 방지한 반응 장치에 Cu2O와 TiO2 나노 입자를 넣고, UV를 조사함으로써 Cu 나노 입자가 균일하게 증착된 TiO2 광촉매를 얻을 수 있었다. 제조된 광촉매는 구리 나노 입자의 plasmon 효과에 의해 가시광을 흡수하는 특성을 보였고, 이로 인해 TiO2 광촉매는 가시광 하에서 안정적으로 수소를 생산할 수 있었다. 높은 광산화도로 인해 구리 나노 입자는 광촉매 반응에 사용되는 데 한계가 있었으나, 본 연구를 통해 산소를 제거한 환경에서 광촉매 반응을 일으킴으로써 값싸고 가시광 활성을 보이는 구리 입자를 통해 효율적인 광촉매를 만들 수 있음을 보여주었다.
