광촉매 작용 기반 암모니아 분해 수소 생산 및 구조–활성 상관관계
Structure–Activity Relationship in Photocatalytic Ammonia Splitting for Hydrogen Production under Ambient Conditions
- 주제(키워드) 그린수소 , 지속가능 , 에너지전환저장 , 메커니즘 , 나노입자 , 촉매
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 유성주
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035218
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
기존 화석연료 기반 수소 생산은 높은 온실가스 배출로 인해 지속 가능 한 대안이 요구되고 있으며, 광촉매 기반의 수소 생산 기술이 주목받고 있 다. 특히 화학적 안정성이 우수한 TiO2가 주요 광촉매로 연구되고 있지만, 낮은 효율을 보완하기 위해 Pt의 도입이 필수적이다. 본 연구는 NH3 존재 하에서 Pt/TiO2 광촉매의 수소 생성 반응 특성을 결정짓는 주요 인자로서, Pt의 산화 상태, 입자 크기, 표면 구조의 영향을 규명하였다. Pt 로딩량 변화에 따라 Ptδ+/Pt0 비율 및 평균 입자 크기를 정량화하고, 이들이 수소 생성 반응(H2 evolution reaction, HER), 암모니 아 산화 반응(NH3 oxidation reaction, NOR), Pt(NH3)n δ+ 복합체 형성간 경쟁에 미치는 영향을 분석하였다. 반응 속도론 모델링 결과, 고농도 NH3 조건에서는 Pt(NH3)n δ+ 복합체 형성 경로가 HER을 억제하는 주요 기작으로 작용하며, 복합체 형성 경로 를 포함한 반응 이론모델이 실험 결과를 가장 가깝게 모사하였다. 0.27 wt% Pt 조건에서는 HER, NOR, 복합체 형성 반응 경로 간 균형이 최적화되어 수소 생성 효율이 최적화되었다. 또한 단일 원자 Pt 촉매 비교를 통해 Pt δ+ 노출이 과도할 경우 오히려 복합체 형성이 강화되어 반응 활성이 저해 됨을 확인하였다. 겉보기 양자 수율 측정 결과, 실험실 스케일에서는 0.94%, 10배 스케일 업 조건에서는 10.88%로 나타나, 최적 Pt/TiO2 시스템의 구조적 안정성 과 확장 가능성을 입증하였다. 본 연구는 최소한의 귀금속 사용으로 반응 선택성과 효율을 극대화할 수 있는 정량적 설계 전략을 제시하며, 구조- 반응 상관관계 기반의 광촉매 개발 및 데이터 기반 반응 설계에 기여한다.
more초록/요약
Photocatalytic ammonia splitting is a compelling strategy for carbon-free H2 production. However, its efficiency is critically constrained by the ambiguous role of the Pt cocatalyst. Here, we show that the photocatalytic activity of Pt/TiO2 is dictated by a competitive interplay between three pathways: specifically, H2 evolution reaction (HER), ammonia oxidation reaction (NOR), and an inhibitory Pt-ammonia complexation. All three are mediated by oxidized Ptδ+ sites. While Ptδ+ promotes desirable HER and NOR pathways, it concurrently acts as a Lewis acid, forming detrimental Pt(NH3)nδ+ complexes that sequester photogenerated electrons and withdraw the site from further catalytic turnover. Through systematic control of Pt loading (0.10–0.84 wt%), we demonstrate that this complexation pathway is responsible for the observed volcano-type activity trend. An optimal balance is achieved at 0.27 wt% Pt, where the Ptδ+/Pt0 ratio is optimized to maximize HER while suppressing complexation. The catalyst exhibits an apparent quantum yield of 10.88% in a scaled-up system, validating its structural integrity and operational durability. Our kinetic modeling and comparative analysis with Pt single-atom catalysts quantitatively confirm that excessive Ptδ+ sites favor complexation, thereby inhibiting H2 production. This work provides a molecular-level blueprint for the rational design of a new generation of highly selective ammonia-splitting photocatalysts.
more목차
1. 서론 1
2. 실험 방법 3
2.1. Pt/TiO2 촉매 제조 3
2.2. 광화학적 암모니아 분해 수소 생성 반응 실험 4
2.3. 촉매 특성 분석 4
3. 결과 및 고찰 6
3.1. 촉매의 특성 분석 6
3.2. 광촉매 반응 및 활성 15
3.3. 반응 전후 촉매의 구조 및 특성 변화 분석 18
3.4. 반응 속도 모델링 27
3.5. 반응 에너지 역학 및 메커니즘 30
4. 결론 35
5. 참고문헌 37
Abstract 42
