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Aug 15, 2023

새로운 유형의 가시성

요하네스버그 대학 이미지: 요하네스버그 대학의 연구원들은 산업 공정을 위한 효율적이고 경제적인 새로운 유형의 가시광 광촉매를 개발했습니다. 그만큼

요하네스버그 대학교

이미지: 요하네스버그 대학의 연구원들은 산업 공정을 위한 효율적이고 경제적인 새로운 유형의 가시광 광촉매를 개발했습니다. 해당 연구는 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S246821792300062X에 나와 있습니다.더보기

출처: 요하네스버그 대학교 Therese van Wyk의 그래픽

요하네스버그 대학의 연구원들은 햇빛 스펙트럼의 가시 부분을 활용하는 새로운 유형의 광촉매를 개발했습니다. 현재 경제적이고 환경 친화적인 광촉매는 일반적으로 사용되는 이산화티탄 및 기타 유사한 물질과 같은 햇빛의 UV 스펙트럼만 '사용'합니다.

이번 연구는 Journal of Science: Advanced Materials and Devices에 게재되었습니다.

광촉매는 이러한 특정 광촉매 특성을 지닌 최초의 3성분 광촉매입니다. 거의 90%가 경제적인 기성 재료로 구성되어 있으며 자원이 제한된 실험실에서 대규모로 생산할 수 있을 만큼 간단합니다.

다른 연구에서는 햇빛의 가시광선 스펙트럼을 '사용'하는 귀금속 팔라듐(Pd)을 함유한 광촉매가 설명되었습니다.

대조적으로, 본 연구의 광촉매는 소량의 전이 금속 탄화물인 니오븀을 사용하여 MXene으로 알려진 나노물질인 세 번째 구성 요소를 준비합니다.

니오븀 카바이드 MXene은 수소 생성 및 이산화탄소를 귀중한 제품으로 전환하는 등 광범위한 광촉매 응용 분야에 사용되었습니다.

분말 형태의 광촉매는 고온, 습도 및 화학적 변화에서도 매우 안정적입니다.

광촉매를 이용한 캐치

대량 산업 공정에서 에너지 사용을 줄이는 것은 까다로울 수 있습니다. 그러나 소비되는 전기 에너지의 대부분이 태양에 의해 '발굴'될 수 있다면 어떨까요?

광촉매는 햇빛과 다른 형태의 빛에 의해 '켜질' 수 있습니다. 그러면 이는 수십 배로 화학 공정을 촉진할 수 있습니다. 이러한 촉매는 다양한 에너지 생성 및 환경 해독 산업에 사용될 수 있는 잠재력을 보여줍니다.

그러나 문제가 있습니다. 현재 매우 효과적인 광촉매는 가격이 매우 비싼 경향이 있습니다. 만드는 것도 어렵고 위험하기까지 합니다.

광촉매 비용의 주요 구성 요소는 백금, 팔라듐 또는 금과 같은 금속일 수 있습니다. 광촉매에 금속을 사용하는 것은 환경적인 관점에서도 바람직하지 않습니다.

또 다른 문제점은 대부분의 최신 광촉매가 대부분 지구 표면에 도달하는 햇빛 에너지의 5%만을 구성하는 UV 광선 노출 시 '켜지는' 경향이 있다는 것입니다.

한편, 가시광선은 이용 가능한 태양광 에너지의 45%를 구성하고, 근적외선은 나머지 50%를 구성합니다.

가시광선 스펙트럼의 1/3 추가

연구원들이 설계하고 테스트한 광촉매는 가시광선 스펙트럼의 약 1/3을 활용한다고 Langelihle (Nsika) Dlamini 교수는 말했습니다. Dlamini는 UJ 화학과의 연구원입니다.

수치를 더하면, 자외선 스펙트럼(UV)은 200~400나노미터 범위의 더 짧은 파장(고에너지)을 갖습니다. 가시광선은 400~700나노미터의 더 긴 파장(낮은 에너지)을 가지고 있습니다.

UV 광선 바로 옆에 있는 가시광선의 보라색-청록색-녹색 부분이 UJ 연구진의 광촉매에 반응합니다. 가시광선의 이 저에너지 부분은 또한 광촉매를 '켜서' 화학 반응을 시작합니다.

“광촉매는 여기되어 420~520나노미터 파장 범위에서 바람직하지 않은 전자와 정공의 재결합 비율이 낮습니다. 이는 통합 재료의 독특한 구조 설계 때문입니다.”라고 Dlamini는 말합니다.

“이것은 광촉매가 효율성에 따라 화학 공정을 시작하기 위해 사용 가능한 태양 에너지의 추가 15%에 반응할 수 있어야 함을 의미합니다.”라고 그는 말합니다.