장민 교수(환경공학과) 연구팀, 

SnS₂이 담지된 g-C₃N₄ 광촉매의 과산화수소(H₂O₂) 생산 효율 극대화

- Journal of Energy Chemistry (JCR IF 14, JCR 상위2.0%) 과학전문지 게재 -

모교 장민 교수(환경공학과) 연구팀이 SnS₂이 담지된 g-C₃N₄ 광촉매의 과산화수소(H₂O₂) 생산 효율 극대화할 수 있는 연구방법을 개발했다.

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과산화수소(H₂O₂)는 화학 공정, 제지 표백, 수처리, 연료 생산 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 물질이다. 현재 H₂O₂는 주로 유독성 유기 용매를 사용하는 고강도 안트라퀴논 공정을 통해 생산되고 있으며, H₂과 O₂를 이용한 귀금속 촉매 기반의 직접 합성법은 실험실 규모에서는 상당한 가능성을 보이나, 낮은 H₂O₂ 선택성과 생산성으로 인해 실제 산업 적용에는 한계가 있으며, 이를 대체할 수 있는 환경 친화적인 생산 공정의 필요성이 대두되고 있다. 이에 대한 대안으로, 태양광 기반 광촉매 반응을 통해 2전자 산소환원반응(ORR)을 유도하여 H₂O₂를 생산하는 기술은 유망한 친환경 기술로 주목받고 있다. 특히 흑연형 탄소 나이트라이드(graphitic carbon nitride, g-C₃N₄)는 높은 안정성과 ORR에 적합한 에너지 밴드 구조 덕분에 H₂O₂ 생산용 광촉매로 각광받고 있다. 하지만 g-C₃N₄ 내에서 발생하는 무작위 전하 운반체 흐름은 광여기된 전자-정공 쌍(e⁻/h⁺)의 높은 재결합율, 느린 전자 전달 속도, 낮은 H₂O₂ 선택성을 유발하여 성능 향상에 제약이 된다.

g-C₃N₄/SnS₂ 광촉매의 H₂O₂ 발생 개념도

본 연구에서는 고가산화수준의 Snδ⁺를 SnS₂ 내에 합성하는 새로운 방법을 도입하고, 이를 g-C₃N₄와 결합하여 g-C₃N₄/SnS₂ 복합체를 제작하였다. 밀도범함수이론(DFT) 계산 결과, SnS₂와 g-C₃N₄ 사이의 계면에서 강한 혼성화(hybridization)를 통해 밴드 간 상태(interband states)가 생성되며, 광여기된 전자가 g-C₃N₄의 C로부터 SnS₂의 S로 이동하여 Z-스킴 이종접합 구조(Z-scheme heterojunction)를 형성함을 확인하였다. 최적의 조건을 갖춘 g-C₃N₄/SnS₂-2 (2% SnS₂ 탑재)는 7.186 mmol g⁻¹ h⁻¹의 높은 H₂O₂ 생성 속도와 405 nm에서 33.8%의 외부 양자 효율(AQE)을 기록하였다. DFT 계산에 따르면, g-C₃N₄ 및 g-C₃N₄/SnS₂ 시스템에서 O₂ 흡착이 반응속도 결정 단계(RDS)로 작용하였으며, SnS₂를 도핑함으로써 Snδ⁺ 상태를 증가시키고 Sn 5s–O 2p 상호작용을 강화하여 O₂ 및 OOH*의 흡착 에너지 장벽이 감소하는 것으로 나타났다. 

In-situ 표면 증강 라만 분광법(SERS) 분석을 통해 광조사 중 g-C₃N₄/SnS₂ 복합체에서 OOH 종이 생성됨을 실험적으로 확인하였다. 또한, 광촉매 기반 H₂O₂ 생산의 경제성 평가(Techno-Economic Analysis, TEA)를 수행한 결과, 분리 공정의 어려움으로 인해 현재는 경제적 실현 가능성이 낮음이 밝혀졌다. 이번 연구는 Snδ⁺ 고가산화 상태 유도를 통한 광촉매 기반 H₂O₂ 생성 향상 전략과 더불어, 상업화의 어려움을 극복하기 위한 방향성을 제시하는 데 의의가 있다.

모교 환경공학과 장민교수(PBRC 부소장, 교신저자)는 연구팀의 종초은 연구교수 (제1저자), 홍광표 학부연구원 (2025년 2월 졸업), 황건덕 박사, Zong Yang Kong (Sunway 대학교), Ao Yang (Chongquing 과기대), Farahin Mohd Jais (Malaya 대학교), 윤여민 (이화여대), 그리고 최은하 교수(PBRC 소장)와 함께 본 연구를 수행하였다.

(좌)홍광표 환경공학 학부졸업생, 종초은 연구교수(제1저자), 장민 교수(교신저자)

본 연구는 한국연구재단(NRF, 과제번호2021R1A6A1A03038785, 2023R1A2C1003464, RS-2023-00240726), 플라즈마 생명과학 연구센터 (PBRC)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 과학 저널 Journal of Energy Chemistry온라인 판에 2025년 4월 10일 ‘Overlooked roles of high-valence Sn in SnS₂ loaded on gC₃N₄ for enhanced photocatalytic H₂O₂ production: Mechanism, DFT, and techno-economic analysis study '이라는 제목으로 발표되었다.

link : https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.03.069

연구팀: JENTL.net