KR100806168B1

KR100806168B1 - 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 수소에너지제조방법

Info

Publication number: KR100806168B1
Application number: KR1020070014139A
Authority: KR
Inventors: 배신태; 김진영; 조인선; 노준홍; 홍국선
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2027-02-12

Abstract

본 발명은 광촉매 물 분해 장치와 태양광에 의하여 전압을 가할 수 있는 태양 전지를 결합하여 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 수소에너지 제조방법에 관한 것으로서, 태양광에 의해 외부 전압을 가할 수 있는 태양전지를 광촉매 물 분해 장치와 결합시켜 물 분해 장치의 작동전극과 상대전극간의 전압 차이를 크게 함으로써 친환경 에너지인 태양광만을 사용하여 환경오염 문제가 없고, 광촉매 물 분해 장치에서 보다 저가의 생산비로 친환경 대체에너지인 수소 에너지의 발생량을 증가시킬 수 있다.

수소, 물 분해, 광촉매, 전압, 태양 전지, 산소, 친환경, 에너지

Description

태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 수소에너지 제조방법 {Preparation method of hydrogen energy by photocatalytic water splitting using electric field of solar cells}

도 1은 본 발명에 따른 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 시스템의 바람직한 모식도이고,

도 2는 광촉매 물 분해 장치의 외부 전압에 따른 광전류 밀도와 수소 발생량 그래프이고,

도 3은 본 발명의 실시예 1의 방법에 따라 측정된 태양 전지 작동 여부에 따른 광촉매 물 분해 장치의 수소 발생량 그래프이다.

본 발명은 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 수소에너지의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광을 이용하여 수소와 산소를 생산할 수 있는 광촉매 물 분해 장치와 태양광에 의하여 전압을 가할 수 있는 태양 전지를 결합함으로써, 물 분해의 결과물인 수소와 산소의 발생량을 증가시킨 광촉매 물 분해 에 의한 환경 친화적인 수소 에너지 제조 방법에 관한 것이다.

물 분해를 통하여 수소 에너지를 제조하는 종래 방법으로는, ① 물의 전기 분해를 이용한 방법, ② 탄화수소에 고온의 수증기를 반응시키는 증기 개질 방법, ③ 광촉매를 이용한 광화학적 방법 (대한민국 특허 등록 제0327793호 및 제0486388호) 등이 있다.

상기 물의 전기 분해를 이용한 수소 에너지의 제조 방법은 물에 전기 에너지를 공급하여 수소와 산소를 제조하는 방법으로, 전기에너지 공급을 위한 고가의 전력과 생산비가 필요하여 경제성이 떨어진다.

또한, 증기 개질을 이용한 방법은 탄화수소를 수증기와 반응시켜 수소를 제조하는 방법으로, 자원 고갈이 예상되는 화석 연료에 의존하게 되어 그 사용이 제한적이며, 공정 과정 중 발생되는 다량의 CO₂로 인해 환경오염을 유발시키는 원인이 되어 바람직하지 않다.

마지막으로, 광촉매를 이용한 수소 제조 방법은 광촉매 전극에 빛을 조사하여 발생하는 전자와 정공을 활용하여 수소와 산소를 제조하는 방법이나, 현재 기초연구단계로써 그 효율이 매우 떨어지는 단점이 있다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 문제들을 해결하기 위한 것으 로서, 태양광을 이용하여 수소와 산소를 생산할 수 있는 광촉매 물 분해 장치와 태양광에 의하여 외부 전압을 가할 수 있는 태양 전지를 결합하는 방법을 이용한 결과, 환경을 오염시키지 않는 태양광 에너지만을 이용하여 보다 저가의 생산비로, 보다 많은 양의 수소 에너지를 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 광촉매 물 분해 장치와 태양 전지를 결합하는 방법을 이용하여 환경오염 없이 보다 저가의 생산비로, 보다 많은 양의 친환경 대체에너지인 수소 에너지를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 한 구현예에 있어서 광촉매 물 분해 수소 에너지의 제조 방법에 있어서, 태양광을 이용한 광촉매 물 분해 장치와 태양광에 의하여 전압을 가할 수 있는 태양 전지를 결합시켜 수행되는 수소에너지의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 광촉매 물 분해 수소 에너지의 제조방법의 한 구현예에 있어서, 광촉매 물 분해 장치는 작동 전극, 상대전극, 및 전해질을 포함하는 광전기화학 전지일 수 있다.

본 발명의 광촉매 물 분해 수소 에너지의 제조방법의 한 구현예에 있어서, 태양전지는 작동전극과 상대전극을 포함하며, 상기 결합은 태양전지의 작동 전극을 상기 광전기화학 전지의 상대 전극에, 그리고 상기 태양 전지의 상대 전극을 상기 광전기화학 전지의 작동 전극에 연결시키는 방법으로 수행될 수 있다.

본 발명의 광촉매 물 분해 수소 에너지의 제조방법의 한 구현예에 있어서, 태양전지는 단독으로 사용하거나, 또는 2 이상을 직렬 연결하여 사용할 수 있다.

본 발명의 광촉매 물 분해 수소 에너지의 제조방법의 한 구현예에 있어서, 태양전지는 염료 감응형 태양 전지, 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 적층형 태양전지 중에서 선택된 것일 수 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 태양전지의 기전력을 외부 전압으로 이용한 광촉매 물 분해 시스템은 다음 도 1과 같다.

본 발명에서는 태양광에 의하여 수소와 산소를 생산할 수 있는 광촉매 물 분해 장치와, 태양광에 의하여 외부 전압을 가할 수 있는 태양 전지를 결합한 것이다. 다음 도 1의 물 분해 장치는 광전기화학 전지(Photoelectrochemical Cell)를, 태양 전지는 염료 감응형 태양 전지(Dye-Sensitised Solar Cell)를 이용한 예를 나타낸 것이지만, 이는 예시를 위한 것일 뿐 다른 종류의 태양 전지를 이용하여도 무방하며, 이들에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 물 분해 장치인 광전기화학 전지는 크게 작동 전극, 상대 전극 및 전해질로 구성되며, 사용되는 전지의 종류에 따라 멤브레인을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수도 있다. 또한, 이때 사용되는 멤브레인의 종류는 통상 사용되는 것이면 가능하고, 크게 한정되지 않는다. 또한, 상기 작동 전극은 광 에너지에 의해 전자와 정공을 생성하는 광촉매 물질과, 전자가 주입·확산하는 투명전극으로 이루 어지며, 상기 광촉매 물질로는 이산화티탄(TiO₂)를 사용하지만 이에 한정되지 않는다. 또한, 투명전극은 통상 인듐틴옥사이드(ITO)를 사용하지만 이에 한정되지 않는다.

이때 전자가 물의 수소이온(H⁺)을 환원시켜 수소(H₂)를 발생시키는 상대 전극으로는 전해질 내에서 안정한 금속인 것이면 가능하고, 특히 귀금속 백금이나 금, 또는 은이 바람직하다. 또한, 전해질은 수산화칼륨(KOH) 0.1몰 수용액을 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기와 같은 물 분해 시스템으로부터 수소의 발생 과정을 살피면, 먼저 외부에서 태양광이 가해지게 되면 작동전극에서 전자와 전공이 생성되고, 이때 생성된 전자는 회로를 따라 상대전극으로 전달되게 되어, 이 전자가 물의 수소이온을 환원시켜 수소를 발생시키게 된다.

그러나 상기 물 분해 장치만으로는 상기 작동전극과 상대전극간의 전압차가 크기 않아 발생되는 수소 에너지의 양이 제한적일 수밖에 없다. 이에, 본 발명에서는 태양광에 의하여 외부 전압을 가할 수 있는 태양전지를 상기 물 분해 장치와 결합시켜 상기 작동전극과 상대전극간의 전압 차이를 크게 함으로써 더 많은 양의 수소에너지를 발생시키도록 한다.

이때 사용되는 태양전지는 염료 감응형 태양 전지, 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 또는 적층형 태양전지 중에서 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

상기 태양전지 중 염료 감응형 태양전지의 경우, 작동 전극은 전자와 정공을 생성하는 염료가 흡착된 이산화티탄(TiO₂)으로 이루어져 있고, 상대 전극은 귀금속 백금으로 이루어져 있으며, 전해질은 요오드 산화/환원 쌍을 포함한 전해질 수용액을 이용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 다른 종류의 태양전지의 경우 그 구체적인 구성이 달라질 수 있으며, 상기 물 분해 장치인 광전기화학 전지의 작동전극, 상대전극, 전해질의 경우, 다른 종류의 작동전극, 상대전극, 전해질을 사용하여도 무방하다.

본 발명에서는 태양 전지의 작동 전극은 광전기화학 전지의 상대 전극에, 태양 전지의 상대 전극은 광전기화학 전지의 작동 전극에 연결하여 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 장치를 구성한다.

또한, 본 발명의 태양 전지는 단독으로 사용할 수도 있고, 여러 개의 태양 전지를 직렬로 연결하여 전압차를 더욱 크게 함으로써 수소 에너지의 발생량을 증가시킬 수도 있다.

따라서 본 발명의 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 장치와 외부 전압을 사용함에 따른 광촉매 물 분해 장치의 작용에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

다음 도 2에서와 같이 외부 전압이 증가함에 따라 광전류 밀도 및 수소 발생량이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 또한 외부 전압이 0.0V일 때의 수소 발생량(14.4μmol, 6시간)에 비하여 2.5 V일 때의 수소 발생량(494μmol, 6시간)이 약 34 배나 증가한 것을 확인하였다. 이는 광에 의해 생성된 전자가 외부 전압에 의한 전기장에 의하여 가속되어 표류 거동을 나타내기 때문이다.

따라서 본 발명과 같이 태양 전지의 전압을 외부 전압으로 사용할 경우, 광촉매 물 분해 장치 및 태양 전지 두 장치 모두에서 환경오염에 문제가 없는 태양광 에너지만을 이용하기 때문에 보다 저가의 생산비로, 보다 많은 양의 수소 에너지를 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다. 이하의 본 발명에 따른 실시예에서는 태양광에 의하여 수소와 산소를 생산할 수 있는 광촉매 물 분해 장치와 태양광에 의하여 전압을 가할 수 있는 태양 전지를 사용하는 본 발명에 부합되도록, 상기 태양광의 불규칙적인 변이성을 고려하여 태양 전지에서는 이와 근접하는 할로겐 램프로 태양광을 대신하였고, 광촉매 물 분해 장치에서는 작동전극의 광촉매인 이산화티탄을 충분히 활성화시킬 수 있는 수은 램프로 태양광을 대신하여 실험을 실시하였다.

<실시예 1>

100 mW/cm²의 할로겐 램프의 광으로 0.58V의 전압을 내며, 인듐틴옥사이드(ITO) 투명 전극에 이산화티탄을 코팅시킨 후 루테늄 염료에 담지하여 제조한 작동 전극, 백금 상대 전극, 및 전해질로서 테트라에틸렌글라이콜 디메틸 에테 르(tetraethyleneglycol dimethyl ether) 90부피%, 요오드 2wt%로 구성된 염료 감응형 태양 전지를 제조하였다. 또한, 인듐틴옥사이드 투명 전극에 이산화티탄을 코팅시킨 작동 전극, 백금 상대 전극, 및 수산화칼륨 0.1M의 전해질, 멤브레인(나피온)으로 구성된 1.4 mW/cm²의 수은 램프의 광으로 물 분해하는 광전기화학 전지를 제조하였다.

그 다음, 상기 염료 감응형 태양 전지의 작동전극과 상대전극을 상기 광전기화학 전지의 상대 전극과 작동 전극에 각각 연결하여 수소 발생 장치인 광촉매 물 분해 장치를 구성하였다.

정밀 전류 측정기를 통하여 광촉매 물 분해 장치의 광전류 밀도를 측정한 결과 0.61 mA/cm², 기체크로마토그래피(GC)를 통하여 12시간 동안의 수소 발생량을 측정한 결과 159.61μmol의 수소가 발생하였다.

또한, 상기 태양 전지의 작동 여부에 따른 광촉매 물 분해 장치의 수소 발생량을 측정한 그래프는 다음 도 3과 같은 바, 상기 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 물 분해 장치는 상기 외부 전압의 효과와 마찬가지로 태양 전지의 기전력이 광촉매 물 분해 장치의 두 전극의 전압의 차이를 더욱 크게 하여 광촉매 물 분해 장치의 수소와 산소의 발생량을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다.

<실시예 2>

100 mW/cm²의 할로겐 램프의 광으로 두 개의 염료 감응형 태양 전지를 직렬 로 연결하여 1.43 V의 전압을 내는 직렬 태양 전지를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

정밀 전류 측정기를 통하여 광촉매 물 분해 장치의 광전류 밀도를 측정한 결과 0.84 mA/cm², 기체크로마토그래피를 통하여 12시간 동안의 수소 발생량을 측정한 결과 203.83μmol의 수소가 발생하였다.

<비교예 1>

광전기화학 전지와 태양 전지를 연결하지 않고 단지 1.4 mW/cm²의 수은 램프의 광으로 물 분해하는 광전기화학 전지만으로 이루어진 물 분해 장치를 이용하여, 정밀 전류 측정기를 통하여 광전류 밀도를 측정한 결과 0.11 mA/cm², 기체크로마토그래피를 통하여 12시간 동안의 수소 발생량을 측정한 결과 19.34μmol의 수소가 발생하였다.

상기 실시예와 비교예의 결과를 다음 표 1에서 정리하였다.

구분	태양 전지 전압(V)	태양 전지 전류(mA)	물 분해 장치 광전류밀도(mA/cm²)	물 분해 장치 수소 발생량 (μmol,12시간)
실시예1	0.58	3.75	0.61	159.61
실시예2	1.43	3.91	0.84	203.83
비교예1	-	-	0.11	19.34

상기 표 1의 결과에서, 본 발명과 같이 광촉매 물 분해 장치와 태양 전지를 연결하는 방법으로 광촉매 물 분해를 이용하여 생성된 수소 에너지 발생량은 태양전지의 기전력을 이용하지 않은 비교예에 비해 8배 내지 10배 이상 많은 것을 알 수 있다. 또한, 태양전지를 직렬로 연결하여 전압차를 크게 할 경우 수소 에너지의 발생량이 더욱 증가됨을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 태양광에 의해 외부 전압을 가할 수 있는 태양전지를 광촉매 물 분해 장치와 결합시켜 물 분해 장치의 작동전극과 상대전극간의 전압 차이를 크게 함으로써 친환경 에너지인 태양광만을 사용하여 환경오염 문제가 없고, 광촉매 물 분해 장치에서 보다 저가의 생산비로 친환경 대체에너지인 수소 에너지의 발생량을 증가시킬 수 있는 수소 에너지의 제조방법을 제공한다.

Claims

광촉매 물 분해 수소 에너지의 제조 방법에 있어서,

태양광을 이용한 광촉매 물 분해 장치와 태양광에 의하여 전압을 가할 수 있는 태양 전지를 결합시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 수소에너지의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 광촉매 물 분해 장치는 작동 전극, 상대전극, 및 전해질을 포함하는 광전기화학 전지인 것을 특징으로 하는 수소에너지의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

태양전지는 작동전극과 상대전극을 포함하며, 상기 결합은 태양전지의 작동 전극을 상기 광전기화학 전지의 상대 전극에, 그리고 상기 태양 전지의 상대 전극을 상기 광전기화학 전지의 작동 전극에 연결시키는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 수소에너지의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 태양전지는 단독으로 사용하거나, 또는 2 이상을 직렬 연결하여 사용함을 특징으로 하는 수소에너지의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 태양전지는 염료 감응형 태양 전지, 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 적층형 태양전지 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 수소에너지의 제조 방법.