Over the last decades, there have been numerous studies in catalysts converting solar and electrical energy into chemical energy. Since most of the chemical reactions take place on the catalyst surface, nanoparticles have been employed as efficient catalysts due to their large surface area. In particular, chemical and catalytic properties of the nanoparticles are dramatically changed by their morphology,structural design suitable for the wanted catalytic reaction is essential for improving catalytic performancesIn this study, we figured out the design principle suitable for photo- and electrocatalytic reactions and developed synthetic methods by combining various synthetic strategies. In Chapter I, we introduced background knowledges and synthetic methods of structurally well-defined nanoparticles suitable for photocatalytic hydrogen evolution and electrochemical carbon dioxide reduction. In chapter II, we synthesized a double-shell hollow metal-semiconductor nanostructure, which showed high stability. The resulting double-shell hollow nanostructure was employed as photocatalysts for hydrogen evolution reactions and exhibited high stability and efficiency superior to those of commercial catalysts. In Chapter III, metal nanoparticles were used as electrocatalysts for carbon dioxide reduction reactions. The Au nanostars with high index surface facets were successfully synthesized by a simple overgrowth process. The resulting nanostars exhibited high CO selectivity and efficiency. Similarly, the branched CuO nanoparticles, which were synthesized through the oxidation of the $Cu_2O$ nanocubes, showed enormous ethylene selectivity and stability higher than those of any other catalysts reported thus far. The correlation between the nanostructures and their catalytic properties is expected to contribute the improvement and commercialization of energy conversion processes using nanocatalysts in the near future.
태양 및 전기 에너지를 화학적 에너지로 변환하기 위한 촉매 연구는 지난 수십 년간 진행되어왔다. 대부분의 화학반응은 촉매 표면에서 일어나기 때문에 넓은 표면적을 갖는 나노 입자들이 촉매로 사용되어왔다. 특히, 나노 입자는 모양에 따라 화학적, 촉매적 특성이 크게 변화하기 때문에 반응에 적합한 나노 구조 설계는 촉매 효율 향상을 위해 필수적이다. 본 연구에서는, 다양한 합성 전략을 조합하여 각각의 촉매반응에 적합한 나노 구조를 설계 및 합성하였다. 챕터I 에서는 수소 생성 광촉매 및 이산화탄소 환원 전기촉매 설계에 필요한 배경지식과 다양한 나노 입자 합성 방법을 소개했다. 챕터II 에서는 높은 안정성을 갖도록 설계된 이중 층 속이 빈 금속-반도체 나노 구조를 합성하였다. 이를 수소 생성 광촉매로 적용해 시판 촉매보다 높은 안정성과 효율을 기록했다. 챕터III 에서는 이산화탄소 환원 전기 촉매로 금속 나노 입자를 설계 및 합성하였다. 간단한 표면 성장 방법으로 합성된 금 나노별 입자는 높은 일산화탄소 선택성 및 효율을 나타냈다. 또한 산화반응을 통해 합성한 가지형의 산화구리(I) 나노 입자는 기존논문보다 높은 에틸렌 선택성 및 안정성을 나타났다. 본 연구에서 밝힌 나노 구조와 촉매성의 상관관계는 향후 에너지 변환 나노촉매의 효율 향상 및 상용화에 공헌을 할 것으로 기대된다.
