Graphitic carbon nitride, $g-C_3N_4$, is a promising organic photocatalyst for $CO_2$ reduction because of its visible light responsive and thermo-chemically stable properties. However, its high recombination rate and ordinary $CO_2$ adsorption ability have restricted its photocatalytic activity. In this paper, we have fabricated a dual photocatalyst system composed of 3D conductive carbon(carbon foam), derived from a commercial melamine sponge, and $g-C_3N_4$ with a facile preparation method to enhance the $CO_2$ photo-reduction activity. Carbon foam not only functions as a backbone for $g-C_3N_4$ to grow on but also collects photo-induced electrons from $g-C_3N_4$ and provides $CO_2$ adsorption sites. As a result, our system exhibited the CO production rate of 0.853 $\mu mol/g \cdot hr$ resulting from $CO_2$ photo-reduction under visible light irradiation. This rate is 3.72 times and 4.47 times higher than those from pure $g-C_3N_4$and pure carbon foam, respectively. This enhanced activity is ascribed to the repression of excited electrons-holes recombination and increased $CO_2$ adsorption capacity by amine-containing carbon foam.
이산화탄소의 연료물질로의 광전환은 에너지 문제와 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 방안이라는 점에서 연구가치가 있다. 기존에 이산화티타늄이나 황화카드뮴 또는 산화아연과 같은 금속기반 반도체 물질들이 이산화탄소의 광전환에 활발하게 사용되어왔으나, 환경친화성이나 가격적인 측면에 있어 한계를 보여왔다. 따라서 가시광선 영역을 흡수할 수 있으면서도 경제적이고 환경친화적인 대표적인 광촉매로서 그래파이틱 질화탄소($g-C_3N_4$)라는 물질이 최근 새롭게 대두되었다. 하지만 이 $g-C_3N_4$ 를 단독으로 쓰기에는 높은 전하 재결합율과 우수하지 않은 이산화탄소 흡착특성, 그리고 낮은 전기전도도 등이 문제가 되었다. 따라서 이 단점들을 극복하면서도 $g-C_3N_4$ 가 가지는 장점을 극대화시키기 위한 전략들이 시도되었는데, 대표적으로 다른 반도체 물질이나 전도체 물질과의 이종접합을 통해 전하분리 효율을 높이고 이산화탄소의 반응 면적을 넓히고자 하는 연구들이 바로 그것이다. 하지만 여전히 금속 조촉매들이 대부분 사용되고 있고 복잡한 제작공정을 이용하고 있어 샘플의 수득률이 낮다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 다공성 탄소와 $g-C_3N_4$ 를 혼합하여 완전히 유기물질만으로 이루어진 3차원 복합시스템을 구현하여 효율적인 이산화탄소 광전환을 이루어낼 수 있는 방법을 제시하였다. 합성방법으로, 칠판지우개로 상용되고 있는 멜라민 스폰지를 단순히 열처리하여 다공성 탄소를 만들어내고(탄화과정) 그 안에 $g-C_3N_4$ 의 출발물질인 요소를 침투시킨 뒤 이것을 다시한번 열처리하여 최종적으로 다공성 탄소의 골조를 $g-C_3N_4$ 가 감싸고 있는 모양의 3차원 복합체를 완성시키는 과정을 제안하였다. 또한, 이 과정 중 다공성 탄소의 탄화과정의 온도를 변화시키며 3차원 복합체의 특성과 성능 변화를 관찰하였다. 이것을 이산화탄소의 광전환 반응에 적용시켜본 결과, 3차원 복합체로 만든 모든 샘플은 단독 $g-C_3N_4$ 보다 더 높은 광전환 성능을 보여 3차원 구조자체에서 나오는 장점들 - 효율적인 물질전달, 표면적의 효과적인 사용 - 이 작용하고 있음을 확인할 수 있었으며, 그 중에도 특히 650도에서 탄화시킨 다공성 탄소를 이용한 복합체(이하 650복합체)가 최고의 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. 그 이유로는 650복합체의 경우가 전하분리효율이 눈에 띄게 가장 좋았으며 이산화탄소 흡착성능은 550복합체에 이어 두 번째로 높은 수치를 나타냈기 때문이다. 이산화탄소의 광전환 과정에서 중요한 이 두가지 단계에서의 성능향상이 결과적으로 가장 좋은 광촉매 활성을 이끌어 낸 것으로 판단된다. 본 연구는 간편하고 대량생산이 가능한 제조과정을 통해 이산화탄소 광전환에 응용할 수 있는 $g-C_3N_4$ 기반의 3차원 유기복합체를 만드는 방법을 처음으로 제시한데에 가장 큰 의미가 있으며, 다공성 탄소의 탄화온도에 따른 이산화탄소 흡착 성능의 변화를 최초로 관찰한 것에도 부가적인 의의가 있다고 말할 수 있다.
