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광범위한 태양광 스펙트럼을 효율적으로 사용하기 위해 가시광선 영역을 흡수할 수 있는 ZnFe₂O₄(ZFO)와 근적외선 광 흡수가 가능한 상향변환 나노입자 (UCNP)를 사용하여 새로운 이종접합 광촉매를 설계하고, 티타늄 산화물(TiO₂) 나노구조체에 드롭-캐스팅하여 새로운 광전극을 제작하였다.
TiO₂와 ZFO는 각각 자외선과 가시광선 흡수에 용이한 광촉매 물질로 사용되고 있으며, 두 물질의 이종접합을 통해 광전기화학 반응의 효율을 향상할 수 있다.
하지만 위 광촉매와 같이 널리 사용되는 광전극 물질들은 주로 자외선과 가시광선을 사용하여 태양광 스펙트럼의 약 48%를 사용할 수 있을 뿐, 그 외의 적외선 영역에 해당하는 약 52%는 광전기화학을 위한 에너지원으로 사용하기 어려운 단점이 있다.
이에 본 연구팀은 적외선 영역을 광전기화학 반응에 적용하기 위해 적외선을 흡수하여 높은 에너지의 파장을 방출하는 상향변환 나노입자 (UCNP)를 사용함으로써 광전기화학 시스템에 더욱 넓은 영역의 태양광 스펙트럼을 활용하였다.
UCNP-ZFO/TiO₂ 광전극은 단일 TiO₂ 광전극에 비해 3배 향상된 광전류 밀도와 4.1배 높은 광자-전류 효율을 보였고, TiO₂에 UCNP과 ZFO를 각각 별개로 이용하여 제작한 광전극에 비해 낮은 전하 이동 저항과 높은 전하 밀도를 나타내었다. 이는 TiO₂ 광양극에서 UCNP와 ZFO의 조합이 근적외선광과 가시광의 시너지 활용으로 인해 광전기화학적 성능을 크게 향상시켰음을 의미한다.
광전기화학 시스템에 있어서 적외선은 낮은 에너지로 인해 활용이 어렵다는 단점을 UCNP 활용으로 극복하여 태양광의 사용 효율을 높였다.
본 연구를 통해 태양광의 흡수 스펙트럼을 확장하는 전략은 태양 에너지 변환 효율을 개선하고 광전기화학 응용 성능을 향상시켜 태양광-연료 변환 분야에서 고효율 응용이 가능함을 제시하였다.
이번 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal (피인용지수 16.744)’에 게재되었다.
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