JACS: 원자 단위로 분산된 Ni 광촉매가 해수로부터 그린 수소를 직접 생산할 수 있게 한다

독일 바이로이트 대학교의 Shoubhik Das 연구팀은 희생제 없이도 해수 또는 순수에서 직접 효율적이고 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 원자 분산 니켈 기반 광촉매(Ni₀.₁₆@f₂-gC₃N₄)를 개발했다. 이 연구 결과는 미국화학회지(J. Am. Chem. Soc.)에 게재되었다.

390 nm 광 조사 시 순수에서 270 μmol/g/h의 수소 생산 속도를 달성했으며, 자연광 하에서는 119 μmol/g의 수소 수율을 보였다. 해수에서도 수소 생산 속도가 144 μmol/g/h를 유지하여 우수한 환경 적응성을 나타냈다. HAADF-STEM, XAS 등의 특성 분석으로 니켈이 원자 분산 형태로 존재함을 확인했다. 이 촉매는 720시간 연속 운전(140시간 광 조사 포함) 후에도 높은 활성을 유지했으며, 15회 재사용 후에도 성능 저하가 거의 없었다. 메커니즘 연구 결과, 수소 생산은 2단계 물 분해 경로를 따른다: 먼저 2전자 물 산화로 중간체인 H₂O₂가 생성되고, 이후 H₂O₂가 O₂와 H₂로 분해되며, 니켈 활성점이 H₂O₂ 분해를 효과적으로 촉진한다.