광촉매

화학 반응 중 전자기파(electromagnetic wave) 또는 빛에 의해 반응이 개시, 진행되는 것을 광화학 반응(photochemical reaction)이라 한다. 이러한 광화학 반응은 종류에 따라 다양하고 복잡한 반응 메커니즘을 갖지만, 반응의 종류와 무관하게 모든 광화학 반응이 갖는 공통적인 과정이며 가장 중요한 단계가 바로 태양을 비롯한 광원(light source)으로부터 복사 에너지(radiation energy)를 흡수하는 것이다.

광촉매(photocatalyst)는 빛에너지를 흡수하여 광화학 반응을 개시하고, 촉매로서 광화학 반응을 촉진하는 화합물을 일컫는다. 대표적인 광촉매로 물을 광분해하여 수소 및 산소 기체를 얻기 위해 사용되는 이산화 타이타늄(TiO₂)이 있다.

석탄과 석유, 그리고 천연 가스 등 화석 연료의 사용은 온실 효과에 기반한 다양한 환경 문제를 야기하고 있으며, 지속된 사용에 따른 화석 연료 자원의 고갈은 현재 인류에게 지속 가능한 대체 에너지 개발이란 화두를 던지고 있다. 그 해결책의 하나로 소위 '수소 경제(hydrogen economy)'라 불릴 정도로 시장에서 잠재 가능성이 큰 수소 기체(H₂)가 주목을 받고 있다. 수소 기체의 연소를 통해 많은 열에너지가 발생하면서 동시에 생성되는 물질은 물로서 그 과정에서 환경 규제에 벗어나는 어떠한 물질도 생성되지 않는 청정 물질(또는 연료)이기 때문이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2 H2 (g) + O2 (g) -> 2 H2O (l) }@@NAMATH_DISPLAY@@@@NAMATH_DISPLAY@@\Delta H=-572 kJ@@NAMATH_DISPLAY@@

하지만 이상적(ideal)인 연료로 생각되는 수소 기체를 에너지원으로 사용하기에는 아직 해결되지 못한 문제들이 몇 가지 있는데, 그중 하나가 지구 대기 중 수소 기체의 양이 인류가 연료로 활용하기에 풍족하지 않다는 점이다. 이는 곧 자연에서 수소 기체를 포집하는 것보다 수소 기체를 화학 공정을 통해 생성할 필요성이 있음을 의미하며, 따라서 현재 이 분야에서 연구는 이상적인 연료인 수소 기체를 청정 에너지를 활용해 생산하는 것에 큰 줄기를 갖고 있다.

이러한 청정 에너지의 흥미로운 대상이 바로 태양 에너지이다. 지구는 매일 태양으로부터 수조 와트(terawatts)의 에너지를 받는데, 이러한 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하고 전환된 전기 에너지를 이용하여 물을 분해함으로써 수소 기체 분자를 생성할 수 있음이다. 이처럼 태양의 빛에너지를 흡수하여 물을 분해하는 공정은 생명체에서도 볼 수 있는데, 녹색 식물 및 조류의 엽록소에서 발견되는 광합성(photosynthesis)이다. 엽록소 내 색소가 빛을 흡수하여 아래의 화학 반응식처럼 물과 이산화 탄소가 반응하여 포도당(glucose)이 합성되는 광합성 과정에서는 산소 기체가 부산물로 나오는데, 이는 물의 분해 과정에서 생성된 것이다. 세포 내에서 발생하는 광합성 과정은 다양한 생체 물질들이 관여되는 복잡한 과정인데, 이 과정을 화학 공정으로 대체하기 위해서는 몇 가지 필요한 것이 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 12 H2O + 6 CO2 ->[hv] C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@

화학 공정을 통한 물의 가수 분해에는 물, 즉 H₂O 분자 내 산소 이온을 산화(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ O^2- -> O^0 }@@NAMATH_INLINE@@)시키는 강력한 산화제와 동시에 수소 이온을 환원(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ H^+ -> H^0 }@@NAMATH_INLINE@@)시키는 환원제가 필요하다. 이러한 역할을 하는 뛰어난 광촉매(photoredox catalyst)가 있는데 붉은 오렌지 빛깔을 가지며 감광제(photosensitizer)로 널리 사용되는 [Ru(bpy)₃]²⁺이다. 루테늄 금속 이온 화합물의 분자 구조는 아래와 같으며 하나의 Ru에 배위 결합하고 있는 세 개의 유기화합물 bpy는 2,2-bipyridine 화합물이다. 452 nm 파장의 빛을 흡수하는 [Ru(bpy)₃]²⁺는 흡수하기 전보다 더 좋은 환원제가 되어 자신은 Ru³⁺로 산화하며 전자를 전달해 일련의 과정을 통해 물에서 수소 기체가 생성된다. 이때 생성된 Ru³⁺는 주위에 추가로 존재하는 환원제에 의해 다시 Ru²⁺로 환원되어 [Ru(bpy)₃]²⁺는 촉매로서 작용할 수 있다.

광촉매인 루테늄 촉매 화합물의 구조()

광촉매를 대신하여 반도체성 광전극을 통해 물을 분해하여 수소 기체를 생성할 수 있는데, 이때 사용하는 광전극의 대표적인 예가 넓은 띠간격 반도체(wide band-gap semiconductor)인 TiO₂ 전극이다. 빛이 광전극에 흡수되면 전자와 정공이 발생하고, 이때 생성된 정공에 의해 물이 산화되어 산소 기체가 발생한다. 빛의 광전극 흡수를 통해 생성된 전자는 백금 전극으로 이동하여 수소 이온(H⁺, proton)을 수소 기체로 환원시켜 수소 기체가 발생하게끔 한다.