WO2012148245A2 - 인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치 - Google Patents

인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치 Download PDF

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Definitions

  • the present application relates to a novel artificial photosynthetic reaction complex structure and an integrated reaction device for artificial photosynthesis comprising the above, and a complex structure for water decomposition reaction and an integrated reaction device for water decomposition reaction including the same.
  • Photosynthesis uses sunlight as energy to convert carbon dioxide and water into oxygen and starch. This photosynthesis is active in green plants and photosynthetic bacteria. In response to the photosynthesis of nature, the reaction of converting carbon dioxide and water into oxygen, liquid fuel, etc. using sunlight as energy is called artificial photosynthesis.
  • carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) are materials with very low potential energy, and fuel and oxygen are materials with relatively high potential energy.
  • Plants in nature use solar energy (Sun) to convert carbon dioxide and water into carbohydrates and oxygen (O 2 ), which are higher potential energy materials through photosynthesis. When the converted carbohydrate and oxygen react again, it is converted into carbon dioxide and water and heat is released to the outside by the difference in potential energy of the two reactants.
  • renewable energy such as solar energy, hydropower, wind power, tidal power, geothermal energy, and biofuel instead of fossil fuel.
  • renewable energy such as solar energy, hydropower, wind power, tidal power, geothermal energy, and biofuel instead of fossil fuel.
  • the most promising renewable energy is solar energy.
  • the present application is to provide a novel artificial photosynthetic composite structure and the integrated reaction device for artificial photosynthesis comprising the above, and the composite structure for water decomposition reaction and integrated reaction device for water decomposition comprising the same.
  • a first aspect of the present disclosure can provide a composite structure for artificial photosynthetic reaction, comprising:
  • a second structure bonded to the first structure and configured to transfer electrons generated by a water oxidation reaction in the first structure
  • a third structure bonded to the second structure and configured for a carbon dioxide reduction reaction
  • the first to third structures are disposed within the membrane for proton delivery and at least a portion of the first structure and at least a portion of the third structure are exposed outside the membrane for proton delivery,
  • the electrons and protons formed by water oxidation in the first structure are fuels containing hydrocarbons by reacting with carbon dioxide delivered to the third structure through the second structure and the proton delivery membrane and supplied to the third structure, respectively. To produce a substance.
  • the second aspect of the present application may provide an integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis, including a complex structure for artificial photosynthetic reaction according to the first aspect of the present application.
  • a plurality of the artificial photosynthetic reaction complex structures may be arranged in an array form.
  • the integrated reaction device for artificial photosynthesis may comprise:
  • a reaction chamber including at least one light-transparent transparent portion, wherein at least one water photooxidation reaction portion and at least one carbon dioxide reduction reaction portion are alternately arranged in sequence;
  • An array of one or more composite structures for artificial photosynthetic reaction disposed between the alternating water photooxidation reaction unit and the carbon dioxide reduction reaction unit;
  • the first structure included in each of the array is in contact with the water photo-oxidation reaction unit side and the third structure is arranged to be in contact with the carbon dioxide reduction reaction unit side.
  • a third aspect of the present disclosure can provide a composite structure for artificial photosynthetic reaction, comprising:
  • the second 'structure is formed in the proton delivery membrane such that both ends thereof are exposed to the outside of the proton delivery membrane, and the first' and the third 'structures are each on both sides of the second' structure. Formed on,
  • Electrons and protons generated by water oxidation under light irradiation in the first 'structure are transferred to the third' structure through the second 'structure and the proton delivery membrane, respectively, and are supplied to the third' structure.
  • the fourth aspect of the present application may provide an integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis, including a complex structure for artificial photosynthetic reaction according to the third aspect of the present application.
  • a plurality of the artificial photosynthetic reaction complex structure may be arranged in an array form.
  • the integrated reaction device for artificial photosynthesis may comprise:
  • a reaction chamber including at least one light-transparent transparent portion, wherein at least one water photooxidation reaction portion and at least one carbon dioxide reduction reaction portion are alternately arranged in sequence;
  • An array of one or more composite structures for artificial photosynthetic reaction disposed between the alternating water photooxidation reaction unit and the carbon dioxide reduction reaction unit;
  • the first 'structure included in each of the array is in contact with the water photooxidation reaction unit side and the third' structure is arranged to be in contact with the carbon dioxide reduction reaction unit side.
  • a fifth aspect of the present disclosure may provide a composite structure for water decomposition reaction, comprising:
  • the second "structure is formed in said proton delivery membrane such that both ends thereof are respectively exposed to the outside of said proton delivery membrane, and said first" and said third “structures are each on both sides of said second" structure. Formed on,
  • Electrons and protons generated by water oxidation under light irradiation in the first ′′ structure are transferred to the third ′ structure through the second ′′ structure and the proton delivery membrane, respectively, and reduced in the third ′′ structure to reduce hydrogen. To generate.
  • the sixth aspect of the present application may provide an integrated reaction apparatus for water decomposition, including a complex structure for water decomposition reaction according to the fifth aspect of the present application.
  • a plurality of the water decomposition reaction complex structure may be arranged in an array form.
  • the reaction apparatus for the water decomposition reaction may include:
  • a reaction chamber including at least one light-transparent transparent portion, including at least one water photooxidation reaction portion, and an array of the complex structure for water decomposition reaction disposed between each of the water photooxidation reaction portions;
  • It includes a water supply unit formed on one side of each of the water photooxidation reaction unit and the hydrogen discharge unit formed on the other side,
  • liquid fuels such as hydrogen, hydrocarbons and alcohols can be prepared using water and carbon dioxide as raw materials and sunlight as energy.
  • it provides a composite structure for artificial photosynthesis reaction and the integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis comprising the above, and the composite structure for water decomposition reaction and the integrated reaction apparatus for water decomposition including the above using materials using inexpensive and common elements
  • artificial photosynthesis can be used to contribute to diversification and practical application of artificial photosynthesis method.
  • the composite structure for artificial photosynthetic reaction according to the present application and the integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis comprising the above, and the composite structure for water decomposition reaction and the integrated reaction apparatus for water decomposition comprising the above, artificial photosynthetic reaction and water decomposition reaction In each case, it is not necessary to apply an external voltage, thereby increasing the energy efficiency improvement of the artificial photosynthetic reaction and the water decomposition reaction.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a complex structure for artificial photosynthetic reaction according to an embodiment of the present application.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing an integrated reaction device for artificial photosynthesis according to an embodiment of the present application.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a composite structure for artificial photosynthetic reaction according to an embodiment of the present application.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing a composite structure for artificial photosynthetic reaction according to an embodiment of the present application further comprising a conductive layer in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a composite structure for artificial photosynthetic reaction according to an embodiment of the present disclosure further including a conductive layer and an insulating layer in FIG. 3.
  • Figure 6 is a schematic diagram showing a composite structure for water decomposition reaction according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a composite structure for water decomposition reaction according to an embodiment of the present disclosure further including a conductive layer in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a composite structure for water decomposition reaction according to an embodiment of the present disclosure further including a conductive layer and an insulating layer in FIG. 6.
  • Figure 9 shows a schematic diagram (a) and SEM image (b) of a composite structure for artificial photosynthetic reaction according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 10 is a schematic view (a), SEM image (b) of the composite structure for water decomposition reaction according to an embodiment of the present application, and shows the result of generating hydrogen by the photo-oxidation of water using the composite structure for water decomposition reaction Graph (c).
  • a first aspect of the present disclosure can provide a composite structure for artificial photosynthetic reaction, comprising:
  • a second structure bonded to the first structure and configured to transfer electrons generated by a water oxidation reaction in the first structure
  • a third structure bonded to the second structure and configured for a carbon dioxide reduction reaction
  • the first to third structures are disposed within the membrane for proton delivery and at least a portion of the first structure and at least a portion of the third structure are exposed outside the membrane for proton delivery,
  • the electrons and protons formed by water oxidation in the first structure are fuels containing hydrocarbons by reacting with carbon dioxide delivered to the third structure through the second structure and the proton delivery membrane and supplied to the third structure, respectively. To produce a substance.
  • each of the first to third structures may have a nano size
  • the composite structure for artificial photosynthesis reaction may have a micro size, but is not limited thereto.
  • the first structure may be formed including a photoactive material, but is not limited thereto.
  • the photoactive material may be active to visible light, ultraviolet light, and / or infrared light, but is not limited thereto.
  • the third structure may be formed including a photoactive material, but is not limited thereto.
  • the photoactive material may be active to visible light, ultraviolet light, and / or infrared light, but is not limited thereto.
  • the first structure to the third structure to form a unit complex arranged in a line may include one or more of the unit complex (see FIG. 2), It is not limited to this.
  • the material forming the first structure for the oxidation reaction of the light irradiation, the material forming the second structure for transferring the generated electrons and the material forming the third structure for the carbon dioxide reduction reaction may be selected from materials having different energy levels from each other.
  • the energy level of the valence band of the photoactive material forming the first structure is lower than the oxidation / reduction potential of water and the energy level of the conduction band of the photoactive material forming the first structure is the oxidation / reduction potential of water. It may be higher, but is not limited thereto.
  • the material forming the second structure is a conduction band in which electrons in a valence band of the photoactive material forming the first structure are excited by light.
  • a material having an energy level capable of accepting the phototransmitted electrons, and the material forming the third structure is an energy level capable of accepting electrons transferred to and transferred to the second structure. It may be to include a material having, but is not limited thereto.
  • the conduction band energy level of the material forming the second structure is lower than the conduction band energy level of the material forming the first structure
  • the conduction band energy level of the material forming the third structure is the second material. 2 It may be lower than the conduction band energy level of the material forming the structure, but is not limited thereto.
  • the energy level of the conduction band of the material forming the second structure and the material forming the third structure should be higher than the oxidation / reduction potential of water.
  • the third structure may comprise a photoactive material, wherein the energy level of the valence band (or HOMO) of the photoactive material is lower than the conduction band energy level of the material forming the second structure and The energy level of the conduction band (or LUMO) of the photoactive material may be higher than the conduction band energy level of the material forming the second structure.
  • electrons in the valence band of the photoactive material forming the third structure are excited by light irradiation and transferred to the conduction band to generate holes in the valence band, and electrons transmitted through the second structure
  • the electrons transferred to the holes generated in the structure 3 and photoelectrically transferred to the conduction zone of the third structure react with a reactant including carbon dioxide and / or protons supplied to generate fuel materials such as hydrogen, hydrocarbons, and alcohols. It may be, but is not limited thereto.
  • the description of the energy level relationship and characteristics between the first structure and the third structure may also be applied to the first 'structure to the third structure and the first structure to the third structure to be described later.
  • the first structure may include, but is not limited to, first support particles and photocatalyst particles for oxidation reaction of water formed on the surface of the first support particles.
  • catalyst materials having an oxidation activity of water known in the art and under light irradiation can be used without particular limitation.
  • catalytic materials known in the art and having catalytic activity of water under light irradiation may be subjected to oxidation of water under light irradiation including heavy visible light, ultraviolet light, infrared light, or a combination thereof.
  • Eggplant may use a catalytic material, but is not limited thereto.
  • the photocatalyst may be included as a photocatalyst for the oxidation of water, but is not limited thereto.
  • the photoactive material may comprise a semiconductor, wherein the semiconductor has the potential that electrons in its conduction band are transferred to the second structure, and holes in its valence electron band may oxidize water and generate oxygen It is necessary to satisfy the condition that it is stable during the reaction.
  • the photoactive material may include a p-type semiconductor, a semiconductor, and as a non-limiting example of such a p-type semiconductor, TiO 2 , ZnO, SrTiO 3 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , BiVO 4 , Pb 4 Ti 3 , CdIn 2 O 4 , Fe 2 TiO 5 , CrNbO 4 , Cr 2 Ti 2 O 7 , CdS, MoS 2 , CdTe, CdZnTe, ZnTe, HgTe, HgZnTe, HgSe, combinations thereof, and the like Can be mentioned.
  • a p-type semiconductor TiO 2 , ZnO, SrTiO 3 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , BiVO 4 , Pb 4 Ti 3 , CdIn 2 O 4 , Fe 2 TiO 5 , CrNbO 4 , Cr 2 Ti 2 O 7 , CdS,
  • the TiO 2 is Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Sb or a combination thereof It may be doped, but is not limited thereto.
  • the photocatalyst for oxidation of water may further include a photosensitive material in addition to the photoactive material, but is not limited thereto.
  • the photosensitive material include, but are not limited to, organic dyes, metal complex dyes, quantum dots, and the like known in the art.
  • the third structure may include, but is not limited to, second support particles and catalyst particles for reduction reaction of carbon dioxide formed on the surface of the second support particles.
  • the catalyst for the reduction of carbon dioxide those known in the art and catalyst materials having a reducing activity of carbon dioxide may be used without particular limitation.
  • a catalyst material having a reducing activity of carbon dioxide may be used as the catalyst for reducing the carbon dioxide under light irradiation, but is not limited thereto.
  • the light may include light including visible light, ultraviolet light, infrared light, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the membrane for proton delivery is manufactured using a porous thin film having a hole, and the first structure, the second structure and the third structure in the form of particles are sequentially in the hole of the porous thin film It may be arranged to be bonded (see FIG. 10B), but is not limited thereto.
  • each of the first to third structures may have a nanorod shape, but is not limited thereto.
  • the proton delivery membrane may be a polymer for proton delivery. It may include, but is not limited to, a glass or amorphous material for proton delivery, or a crystalline material for proton delivery.
  • the membrane for proton transfer may include, but is not limited to, an organic polymer, an inorganic polymer, or an organic-inorganic hybrid polymer having a proton transfer capacity.
  • the membrane for proton transfer may include an organic polymer, an inorganic polymer, or an organic-inorganic hybrid polymer having a hydrogen ion-exchangeable group, but is not limited thereto.
  • the membrane for proton delivery comprises a fluorine-containing proton delivery polymer, or the fluorine-containing proton delivery polymer / LDH complex.
  • the membrane for proton delivery may include, but is not limited to, Nafion, Nafion / LDH complex, or phosphosilicate.
  • the second structure may include, but is not limited to, a conductive organic material, a conductive inorganic material, an organic semiconductor, an inorganic semiconductor, or a combination thereof for electron transfer.
  • the second structure may be a metal, a semiconductor, or a combination thereof; Conductive organics, organic semiconductors, or combinations thereof; And it may be to include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • the material for electron transfer may be used without particular limitation as long as the energy of the conduction band is high enough to transfer electrons to the third structure.
  • the material for electron transfer may include TiO 2 , ZnO, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the material for electron transfer may easily transfer electrons through their LUMO by using a material in the form of a single crystal of a material including TiO 2 , ZnO or a combination thereof.
  • the second aspect of the present application may provide an integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis, including a complex structure for artificial photosynthetic reaction according to the first aspect of the present application.
  • a plurality of the artificial photosynthetic reaction complex structures may be arranged in an array form.
  • the integrated reaction device for artificial photosynthesis may comprise:
  • a reaction chamber including at least one light-transparent transparent portion, wherein at least one water photooxidation reaction portion and at least one carbon dioxide reduction reaction portion are alternately arranged in sequence;
  • An array of one or more composite structures for artificial photosynthetic reaction disposed between the alternating water photooxidation reaction unit and the carbon dioxide reduction reaction unit;
  • the first structure included in each of the array is in contact with the water photo-oxidation reaction unit side and the third structure is arranged to be in contact with the carbon dioxide reduction reaction unit side.
  • the electrons and protons generated by the water oxidation reaction in the first structure by irradiating light to the water photooxidation reaction side, respectively,
  • the second structure and the proton transfer membrane are delivered to the third structure for reducing carbon dioxide
  • the carbon dioxide supplied to the third structure and the electrons and protons may react to produce a fuel material including a hydrocarbon.
  • the present invention is not limited thereto.
  • electrons generated by water photooxidation are transferred to the third structure for reducing carbon dioxide by the second structure, and in this process, an external voltage needs to be applied. There is no energy efficiency of the artificial photosynthetic reaction can be improved.
  • the integrated reaction device for artificial photosynthesis may be combined with a solar cell and / or a solar heat collecting device, but is not limited thereto.
  • the solar cell if necessary, is connected to the second structure to provide an overvoltage necessary for the electron transfer or to facilitate the transfer of electrons generated by water oxidation from the first structure to the third structure.
  • the first structure and the third structure may be connected to supply an overvoltage necessary for electron transfer, but is not limited thereto.
  • the solar heat collecting device may be used to supply heat for improving the temperature of the reaction occurring in the integrated reaction device for artificial photosynthesis if necessary, but is not limited thereto.
  • a third aspect of the present disclosure can provide a composite structure for artificial photosynthetic reaction, comprising:
  • the second 'structure is formed in the proton delivery membrane such that both ends thereof are exposed to the outside of the proton delivery membrane, and the first' and the third 'structures are each on both sides of the second' structure. Formed on,
  • Electrons and protons generated by water oxidation under light irradiation in the first 'structure are transferred to the third' structure through the second 'structure and the proton delivery membrane, respectively, and are supplied to the third' structure.
  • the first 'structure may be formed including a photoactive material, but is not limited thereto.
  • the photoactive material may be active to visible light, ultraviolet light, and / or infrared light, but is not limited thereto.
  • the third 'structure may be formed including a photoactive material, but is not limited thereto.
  • the photoactive material may be active to visible light, ultraviolet light, and / or infrared light, but is not limited thereto.
  • the second 'structure may have a rod shape of nano size to micro size, but is not limited thereto.
  • the artificial photosynthetic reaction complex structure may further include a conductive layer formed on the second 'structure (see FIG. 4), but is not limited thereto.
  • the conductive layer may include a conductive inorganic material, a conductive organic material or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the conductive inorganic material may include a transition metal or a conductive carbon material, but is not limited thereto.
  • the transition metal may include platinum, gold, palladium, nickel, silver, titanium, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the conductive carbon material may include graphene, CNT, graphite, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the artificial photosynthetic reaction composite structure may further include an insulating layer formed on the second 'structure, but is not limited thereto.
  • the artificial photosynthetic reaction composite structure may further include a conductive layer formed on the second 'structure and an insulating layer formed on the conductive layer (see FIG. 5), but is not limited thereto. .
  • the insulating layer may include an insulating inorganic material, an insulating organic material or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the insulating inorganic material and the insulating organic material may be used without particular limitation those known in the art.
  • the insulating inorganic material may include an insulating metal oxide, an insulating inorganic polymer, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the insulating organic material may include an insulating organic polymer, but is not limited thereto.
  • Non-limiting examples of the insulating organic polymer polyethylene-based polymer, polypropylene-based polymer. It may include a polyacrylate-based polymer (eg PMMA) or a polystyrene-based polymer, but is not limited thereto.
  • the first 'and the third' structure may each have a nanoparticle form, but is not limited thereto.
  • the proton delivery membrane may be a polymer for proton delivery. It may include, but is not limited to, a glass or amorphous material for proton delivery, or a crystalline material for proton delivery.
  • the membrane for proton transfer may include, but is not limited to, an organic polymer, an inorganic polymer, or an organic-inorganic hybrid polymer having a proton transfer capacity.
  • the membrane for proton transfer may include an organic polymer, an inorganic polymer, or an organic-inorganic hybrid polymer having a hydrogen ion-exchangeable group, but is not limited thereto.
  • the membrane for proton delivery comprises a fluorine-containing proton delivery polymer, or the fluorine-containing proton delivery polymer / LDH complex.
  • the membrane for proton delivery may include, but is not limited to, Nafion, Nafion / LDH complex, or phosphosilicate.
  • the second 'structure may include a conductive organic material, a conductive inorganic material, an organic semiconductor, an inorganic semiconductor, or a combination thereof for electron transfer, but is not limited thereto.
  • the first 'structure may be a metal, a semiconductor, or a combination thereof; Conductive organics, organic semiconductors, or combinations thereof; And may be to include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • the fourth aspect of the present application may provide an integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis, including a complex structure for artificial photosynthetic reaction according to the third aspect of the present application.
  • a plurality of the artificial photosynthetic reaction complex structure may be arranged in an array form.
  • the integrated reaction device for artificial photosynthesis may comprise:
  • a reaction chamber including at least one light-transparent transparent portion, wherein at least one water photooxidation reaction portion and at least one carbon dioxide reduction reaction portion are alternately arranged in sequence;
  • An array of one or more composite structures for artificial photosynthetic reaction disposed between the alternating water photooxidation reaction unit and the carbon dioxide reduction reaction unit;
  • the first 'structure included in each of the array is in contact with the water photooxidation reaction unit side and the third' structure is arranged to be in contact with the carbon dioxide reduction reaction unit side.
  • the integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis electrons and protons generated by the water oxidation reaction in the first 'structure by irradiating light to the water photooxidation reaction unit side, respectively, the second' structure And a carbon dioxide supplied to the 3 ′ structure for reducing carbon dioxide through the proton delivery membrane, and reacting carbon dioxide supplied to the 3 ′ structure with the electrons and protons to generate a fuel material including a hydrocarbon. It is not limited to this.
  • the integrated reaction device for artificial photosynthesis may be combined with a solar cell and / or a solar heat collecting device, but is not limited thereto.
  • the solar cell is connected to the second 'structure to supply an overvoltage necessary for the electron transfer, if necessary, to further facilitate the transfer of electrons generated by water oxidation to the third' structure. Or may be connected to supply an overvoltage required for the electron transfer between the first 'structure and the third' structure, but is not limited thereto.
  • the solar heat collecting device may be used to supply heat for improving the temperature of the reaction occurring in the integrated reaction device for artificial photosynthesis if necessary, but is not limited thereto.
  • a fifth aspect of the present disclosure may provide a composite structure for water decomposition reaction, comprising:
  • the second "structure is formed in said proton delivery membrane such that both ends thereof are respectively exposed to the outside of said proton delivery membrane, and said first" and said third “structures are each on both sides of said second" structure. Formed on,
  • Electrons and protons generated by water oxidation under light irradiation in the first ′′ structure are transferred to the third ′ structure through the second ′′ structure and the proton delivery membrane, respectively, and reduced in the third ′′ structure to reduce hydrogen. To generate.
  • the first ′′ structure may be formed to include a photoactive material, but is not limited thereto.
  • the photoactive material may be active against visible light, ultraviolet light, and / or infrared light. However, it is not limited thereto.
  • the third ′′ structure may be formed to include a photoactive material, but is not limited thereto.
  • the photoactive material may be active against visible light, ultraviolet light, and / or infrared light. However, it is not limited thereto.
  • the second ′′ structure may have a rod shape of nano size to micro size (see FIG. 6), but is not limited thereto.
  • the composite structure for water decomposition reaction may be to include a conductive layer formed on the second "structure (see Fig. 7), but is not limited thereto.
  • the conductive The layer may include, but is not limited to, a conductive inorganic material, a conductive organic material, or a combination thereof, for example, the conductive inorganic material may include, but is not limited to, a transition metal or a conductive carbon material.
  • the transition metal may include, but is not limited to, platinum, gold, palladium, nickel, silver, titanium, or a combination thereof
  • the conductive carbon material may include graphene, CNT, graphite, or a combination thereof. May be, but is not limited thereto.
  • the composite structure for water decomposition reaction may further include an insulating layer formed on the second "structure, but is not limited thereto.
  • the composite structure for water decomposition reaction may further include a conductive layer formed on the second "structure and an insulating layer formed on the conductive layer (see FIG. 8), but is not limited thereto. .
  • the insulating layer may include an insulating inorganic material, an insulating organic material or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the insulating inorganic material and the insulating organic material may be used without particular limitation those known in the art.
  • the insulating inorganic material may include an insulating metal oxide, an insulating inorganic polymer, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the insulating organic material may include an insulating organic polymer, but is not limited thereto.
  • Non-limiting examples of the insulating organic polymer polyethylene-based polymer, polypropylene-based polymer. It may include a polyacrylate-based polymer (eg PMMA) or a polystyrene-based polymer, but is not limited thereto.
  • the first ′′ structure and the third ′′ structure may each be in the form of nanoparticles, but are not limited thereto.
  • the proton delivery membrane may be a polymer for proton delivery. It may include, but is not limited to, a glass or amorphous material for proton delivery, or a crystalline material for proton delivery.
  • the membrane for proton transfer may include, but is not limited to, an organic polymer, an inorganic polymer, or an organic-inorganic hybrid polymer having a proton transfer capacity.
  • the membrane for proton transfer may include an organic polymer, an inorganic polymer, or an organic-inorganic hybrid polymer having a hydrogen ion-exchangeable group, but is not limited thereto.
  • the membrane for proton delivery comprises a fluorine-containing proton delivery polymer, or the fluorine-containing proton delivery polymer / LDH complex.
  • the membrane for proton delivery may include, but is not limited to, Nafion, Nafion / LDH complex, or phosphosilicate.
  • the second ′′ structure may include, but is not limited to, a conductive organic material, a conductive inorganic material, an organic semiconductor, an inorganic semiconductor, or a combination thereof for electron transfer.
  • the second "structure can be a metal, a semiconductor, or a combination thereof; Conductive organics, organic semiconductors, or combinations thereof; And may be to include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • the sixth aspect of the present application may provide an integrated reaction apparatus for water decomposition, including a complex structure for water decomposition reaction according to the fifth aspect of the present application.
  • a plurality of the water decomposition reaction complex structure may be arranged in an array form.
  • the reaction apparatus for the water decomposition reaction may include:
  • a reaction chamber including at least one light-transparent transparent portion, including at least one water photooxidation reaction portion, and an array of the complex structure for water decomposition reaction disposed between each of the water photooxidation reaction portions;
  • It includes a water supply unit formed on one side of each of the water photooxidation reaction unit and the hydrogen discharge unit formed on the other side,
  • a carbon dioxide which is delivered to the third ′′ structure for reducing carbon dioxide through the proton delivery membrane, and reacts with carbon dioxide and the electrons and protons supplied to the third ′′ structure to generate a fuel material including a hydrocarbon. It is not limited to this.
  • the reaction device for the water decomposition reaction may be in combination with a solar cell and / or a solar heat collecting device, but is not limited thereto.
  • the solar cell is connected to the second "structure to provide an overvoltage necessary for the electron transfer, if necessary, to further facilitate the transfer of electrons generated by water oxidation to the third" structure. Or may be connected to supply an overvoltage required for the electron transfer between the first "structure and the third" structure.
  • the solar concentrator is, if necessary, included in the integrated reaction apparatus for artificial photosynthesis. It may be used to supply heat to improve the temperature of the reaction that takes place in, but is not limited thereto.
  • Figure 9 is a schematic diagram (a) and SEM photograph (b) of a composite structure for artificial photosynthetic reaction according to an embodiment of the present application.
  • Three kinds of particles were regularly arranged using a scrub to prepare a composite structure for artificial photosynthetic reaction according to an embodiment of the present application.
  • Each of the three kinds of particles is a first structure for oxidation reaction of water under light irradiation, a second structure bonded to the first structure and transferring electrons generated by the water oxidation reaction in the first structure, and the second structure. It is bonded to the structure and corresponds to the third structure for the carbon dioxide reduction reaction.
  • Figure 10 shows the SEM photograph and the hydrogen production experiment results of the composite structure for water decomposition reaction according to an embodiment of the present application.
  • the composite structure for water decomposition reaction specifically, CdS photocatalyst layer by forming a porous thin film having a hole made of PMMA and depositing a CdS photocatalyst layer by a sputtering process on the porous thin film Formed. It can be seen that the holes of the CdS photocatalyst layer are arranged very regularly. In addition, referring to FIG. 9, it was further confirmed that the CdS photocatalyst layer was formed on the thin film having the hole made of PMMA using XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a cross-sectional view of a water decomposition reaction composite structure formed by using Nafion as a hydrogen ion transporting material in a hole of the CdS photocatalyst layer according to an embodiment of the present application and a scanning electron microscope; Shows a graph observed.
  • a result of comparing the amount of hydrogen generated using the complex structure for water decomposition reaction according to an embodiment of the present application is compared. All the reaction conditions were kept the same. More specifically, the hydrogen ion source used 0.1 ml formic acid, and was produced by irradiating each membrane with 100 mW / cm 2 visible light for about 1 hour to about 5 hours. The amount of H 2 to be compared was observed.
  • the composite structure for water decomposition reaction including a photocatalyst layer of a porous structure has a higher amount of hydrogen generation than the CdS (0.1 mg) photocatalyst in powder form, the reaction time passes , It could be confirmed that the difference in the amount produced.
  • the amount of hydrogen produced in the case of using the photocatalytic layer and the powder photocatalyst layer was about 1.6 ⁇ mol / h and about 0.15 ⁇ mol / h, respectively. It was.

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Abstract

본원은, 신규 인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 신규 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치에 관한 것이다.

Description

인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치
본원은 신규 인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해 반응용 통합 반응 장치에 관한 것이다.
광합성은 태양광을 에너지로 사용하여 이산화탄소와 물을 산소와 녹말로 전환하는 반응이다. 이러한 광합성은 녹색식물과 광합성 박테리아 내에서는 이러한 광합성이 활발하게 일어나고 있다. 이러한 자연계의 광합성에 대응하여, 태양광을 에너지로 사용하여 이산화탄소와 물을 산소와 액체연료 등으로 전환시키는 반응을 인공광합성이라고 한다.
화학적 측면에서 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)은 위치 에너지가 매우 낮은 물질이고 연료와 산소는 위치 에너지가 상대적으로 높은 물질이다. 자연계의 식물들은 태양에너지(Sun)를 이용하여 광합성 작용을 통해 이산화탄소와 물을 보다 위치 에너지가 높은 물질인 탄수화물과 산소(O2)로 전환시킨다. 전환된 탄수화물과 산소를 다시 반응시키면 이는 다시 이산화탄소와 물로 전환되고 두 반응물질의 위치 에너지 차이만큼 열이 외부로 방출된다.
한편, 인류는 화석연료의 연소를 통하여, 즉 화석연료를 산소와 반응시켜 이산화탄소와 물을 생성하는 반응을 통해 에너지를 얻고 있다. 이로 인하여 대기 중에 이산화탄소의 농도는 나날이 증가하고 있으며 지구온난화의 주된 원인으로 여겨지고 있다. 현재 급속도로 진행되고 있는 이러한 지구온난화는 지구 환경 문제의 중요 원인들 중 하나로 인식되고 있다.
따라서 화석연료 대신에 태양에너지, 수력, 풍력, 조력, 지열, 바이오 연료 등의 재생에너지의 활용도를 높이기 위한 노력이 전세계적으로 진행되고 있다. 이중 가장 유망한 재생에너지는 태양에너지이다.
종래 개발된 태양에너지 활용 방법은 태양열과 태양광을 전기에너지로 전환하는 방법이 있다. 그러나, 전 세계에서 생산되는 전력 중에서 태양에너지를 이용하여 생산되는 전력양은 무시할 정도로 작습니다. 더욱이 태양전지의 효율은 이미 거의 한계에 다다랐으며 태양전지 생산단가는 증가추세에 있습니다. 따라서 태양광과 물과 이산화탄소를 이용하여 유용한 물질을 생산하는 인공광합성의 구현에 대한 필요성이 점점 증가하고 있다.
그러나, 이러한 인공광합성은 지난 세기 내내 수 많은 과학자들이 많은 노력을 하였음에도 불구하고 아직도 인공광합성은 실험실 수준에서 조차 구현되지 못하고 있다. 따라서, 이러한 인공광합성 연구의 성공은 지구환경의 개선 및 과학기술 발전에 현저한 기여를 할 것으로 예상된다.
본원은, 신규 인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 하기를 포함하는, 인공광합성 반응용 복합 구조체를 제공할 수 있다:
빛 조사 하 물의 산화 반응용 제 1 구조체;
상기 제 1 구조체와 접합되며 상기 제 1 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자를 전달하기 위한 제 2 구조체;
상기 제 2 구조체에 접합되며 이산화탄소 환원 반응용 제 3 구조체; 및,
양성자 전달용 멤브레인을 포함하며,
상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 배치되고 상기 제 1 구조체의 적어도 일부 및 상기 제 3 구조체의 적어도 일부는 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 노출되어 있으며,
상기 제 1 구조체에서 물 산화에 의하여 형성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3 구조체에 전달되어 상기 제 3 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것임.
본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 포함하는, 인공 광합성용 통합 반응 장치를 제공할 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치에 있어서 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 복수개가 어레이 형태로 배열되어 있는 것일 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치는 하기를 포함할 수 있다:
적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부 및 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부가 각각 순차적으로 교대로 배치되어 있는 반응 챔버;
상기 교대로 배치된 물 광산화 반응부 및 이산화탄소 환원 반응부 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 어레이(array);
상기 하나 이상의 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성되는 산소 배출부;
상기 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부 각각의 일측에 형성된 이산화탄소 공급부, 및 타측에 형성되는 생성물 배출부; 를 포함하며,
여기서, 상기 어레이 각각에 포함된 상기 제 1 구조체는 상기 물 광산화 반응부 측에 접하고 상기 제 3 구조체는 상기 이산화탄소 환원 반응부 측에 접하도록 배치되는 것임.
본원의 제 3 측면은, 하기를 포함하는, 인공광합성 반응용 복합 구조체를 제공할 수 있다:
양성자 전달용 멤브레인;
빛 조사 하에서 물의 산화 반응용 제 1' 구조체;
전자 전달용 제 2' 구조체; 및,
이산화탄소 환원 반응용 제 3' 구조체
를 포함하며,
여기서,
상기 제 2' 구조체는 그의 양 말단이 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 각각 노출되도록 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 형성되며, 상기 제 1' 구조체 및 상기 제 3' 구조체는 상기 제 2' 구조체의 양측의 각각에 형성되며,
상기 제 1' 구조체에서 빛 조사 하에서 물 산화에 의하여 생성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2' 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3' 구조체에 전달되어 상기 제 3' 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것임.
본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 포함하는, 인공 광합성용 통합 반응 장치를 제공할 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치에 있어서, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 복수개가 어레이 형태로 배열되어 있는 것일 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치는 하기를 포함할 수 있다:
적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부 및 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부가 각각 순차적으로 교대로 배치되어 있는 반응 챔버;
상기 교대로 배치된 물 광산화 반응부 및 이산화탄소 환원 반응부 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 어레이(array);
상기 하나 이상의 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성되는 산소 배출부;
상기 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부 각각의 일측에 형성된 이산화탄소 공급부, 및 타측에 형성되는 생성물 배출부를 포함하며,
여기서, 상기 어레이 각각에 포함된 상기 제 1' 구조체는 상기 물 광산화 반응부 측에 접하고 상기 제 3'구조체는 상기 이산화탄소 환원 반응부 측에 접하도록 배치되는 것임.
본원의 제 5 측면은, 하기를 포함하는, 물 분해 반응용 복합 구조체를 제공할 수 있다:
양성자 전달용 멤브레인;
빛 조사 하에서 물의 산화 반응용 제 1" 구조체;
전자 전달용 제 2" 구조체; 및,
양성자 환원 반응용 제 3" 구조체
를 포함하며,
여기서,
상기 제 2" 구조체는 그의 양 말단이 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 각각 노출되도록 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 형성되며, 상기 제 1" 구조체 및 상기 제 3" 구조체는 상기 제 2" 구조체의 양측의 각각에 형성되며,
상기 제 1" 구조체에서 빛 조사 하에서 물 산화에 의하여 생성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2" 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3' 구조체에 전달되어 상기 제 3" 구조체에서 환원되어 수소를 생성하는 것임.
본원의 제 6 측면은, 상기 본원의 제 5 측면에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체를 포함하는, 물 분해용 통합 반응 장치를 제공할 수 있다. 상기 물 분해용 통합 반응 장치에 있어서, 상기 물 분해 반응용 복합 구조체의 복수개는 어레이 형태로 배열되어 있는 것일 수 있다. 상기 물 분해 반응용 반응 장치는 하기를 포함할 수 있다:
적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부를 포함하며 상기 물 광산화 반응부 각각의 사이에 상기 물 분해 반응용 복합 구조체의 어레이(array)가 배치되어 있는 반응 챔버;
상기 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성된 수소 배출부를 포함하며,
상기 물 광산화 반응부의 일측에 빛을 조사하여 상기 제 1" 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2" 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3" 구조체로 전달되어 환원되어 수소를 생성하는 것임.
본원에 의하면, 물과 이산화탄소를 원료로 사용하고 태양광을 에너지로 사용하여 수소, 탄화수소, 알코올류 등의 액체 연료를 제조할 수 있다. 특히, 저렴하고 흔한 원소들을 이용한 물질들을 사용하여 인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치를 제공하며, 이를 이용하여 인공광합성을 구현함으로써 인공광합성 방법의 응용의 다양화 및 실용화에 기여할 수 있다. 또한, 본원에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치는, 인공광합성 반응 및 물 분해 반응 각각에 있어서 외부 전압의 인가가 필요없어 인공광합성 반응 및 물 분해 반응의 에너지 효율 향상을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 인공 광합성용 통합 반응 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 3에 있어서 전도층을 추가 포함하는 본원의 일 구현예에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 3에 있어서 전도층 및 절연층을 추가 포함하는 본원의 일 구현예에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 7은 도 6에 있어서 전도층을 추가 포함하는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 8은 도 6에 있어서 전도층 및 절연층을 추가 포함하는 본원의 일 구현예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체의 모식도 (a) 및 SEM 이미지 (b)를 나타낸다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체의 모식도 (a), SEM 이미지 (b), 및 상기 물 분해 반응용 복합 구조체를 이용하여 물의 광산화에 의한 수소를 생성한 결과를 보여주는 그래프 (c)이다.
이하, 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
이하, 본원의 신규 인공광합성 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 인공광합성용 통합 반응 장치, 및 물 분해 반응용 복합 구조체 및 상기를 포함하는 물 분해용 통합 반응 장치 각각에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면은, 하기를 포함하는, 인공광합성 반응용 복합 구조체를 제공할 수 있다:
빛 조사 하 물의 산화 반응용 제 1 구조체;
상기 제 1 구조체와 접합되며 상기 제 1 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자를 전달하기 위한 제 2 구조체;
상기 제 2 구조체에 접합되며 이산화탄소 환원 반응용 제 3 구조체; 및,
양성자 전달용 멤브레인을 포함하며,
상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 배치되고 상기 제 1 구조체의 적어도 일부 및 상기 제 3 구조체의 적어도 일부는 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 노출되어 있으며,
상기 제 1 구조체에서 물 산화에 의하여 형성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3 구조체에 전달되어 상기 제 3 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것임.
상기 인공광합성 반응용 복합 구조체 (도 1 참조)에 있어서, 상기 제 1 구조체에서 물 산화에 의하여 형성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3 구조체에 전달되어 상기 제 3 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 과정에서 외부 전압을 인가할 필요가 없어, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체를 인공광합성 반응에 응용하는 경우 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체 각각은 나노크기를 가지고 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체는 마이크로 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 구조체는 광활성 물질을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 가시광, 자외선 및/또는 적외선에 대하여 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 3 구조체는 광활성 물질을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 가시광, 자외선 및/또는 적외선에 대하여 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 일렬로 배열된 단위 복합체를 형성하고, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체는 상기 단위 복합체를 하나 이상 포함하는 것일 수 있으나 (도 2 참조), 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 빛 조사 하 물의 산화 반응용 제 1 구조체를 형성하는 물질, 상기 생성된 전자를 전달하기 위한 제 2 구조체를 형성하는 물질 및 상기 이산화탄소 환원 반응용 제 3 구조체를 형성하는 물질 각각은 서로 상이한 에너지 준위를 가지는 물질들 중에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 제 1 구조체를 형성하는 광활성 물질의 원자가 대역(valence band)의 에너지 준위는 물의 산화/환원 전위 보다 낮고 상기 제 1 구조체를 형성하는 광활성 물질의 전도 대역의 에너지 준위는 물의 산화/환원 전위 보다 높은 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 제 2 구조체를 형성하는 물질은, 상기 제 1 구조체를 형성하는 광활성 물질의 원자가 대역(valence band)의 전자가 빛에 의하여 흥분(excitation)되어 전도 대역(conduction band)로 광전이 되는 경우 상기 광전이된 전자를 받아들일 수 있는 에너지 준위를 가지는 물질을 포함하고, 상기 제 3 구조체를 형성하는 물질은 상기 제 2 구조체에 전이되어 전달되는 전자를 받아들일 수 있는 에너지 준위를 가지는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 구조체를 형성하는 물질의 전도 대역 에너지 준위는 상기 제 1 구조체를 형성하는 물질의 전도 대역 에너지 준위보다 낮고, 상기 제 3 구조체를 형성하는 물질의 전도 대역 에너지 준위는 상기 제 2 구조체를 형성하는 물질의 전도 대역 에너지 준위보다 낮은 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 상기 제 2 구조체를 형성하는 물질 및 상기 제 3 구조체를 형성하는 물질의 전도 대역의 에너지 준위는 물의 산화/환원 전위보다 높아야 한다.
다른 예시적 구현예에 있어서, 상기 제 3 구조체는 광활성 물질을 포함할 수 있으며, 상기 광활성 물질의 원자가 대역 (또는 HOMO)의 에너지 준위는 상기 제 2 구조체를 형성하는 물질의 전도 대역 에너지 준위보다 낮고 상기 광활성 물질의 전도 대역 (또는 LUMO)의 에너지 준위는 상기 제 2 구조체를 형성하는 물질의 전도 대역 에너지 준위보다 높은 것일 수 있다. 이 경우, 빛 조사에 의하여 상기 제 3 구조체를 형성하는 광활성 물질의 원자가 대역의 전자가 흥분되어 전도 대역으로 전이되어 상기 원자가 대역에 정공이 발생하며, 상기 제 2 구조체를 통하여 전달된 전자가 상기 제 3 구조체에 생성된 정공으로 전이되고, 상기 제 3 구조체의 전도 대역으로 광전이된 전자는 공급되는 이산화탄소 및/또는 양성자를 포함하는 반응 물질과 반응하여 수소, 탄화수소, 알코올류 등의 연료물질을 생성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 구조체 내지 상기 제 3 구조체 간의 에너지 준위 관계 및 특성에 대한 기술은 후술하는 제 1' 구조체 내지 제 3' 구조체 및 제 1" 구조체 내지 제 3" 구조체에 대하여도 적용될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 구조체는 제 1 지지체 입자 및 상기 제 1 지지체 입자의 표면에 형성된 물의 산화반응용 광촉매 입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 물의 산화반응용 광촉매로서 당업계에 공지된 것 및 빛 조사 하에서 물의 산화 활성을 가지는 촉매 물질들을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 물의 산화반응용 광촉매로서 당업계에 공지된 것 및 빛 조사 하에서 물의 산화 활성을 가지는 촉매 물질들을 중 가시 광선, 자외선, 적외선 또는 이들의 조합을 포함하는 광 조사 하에서 물의 산화 활성을 가지는 촉매 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 물의 산화반응용 광촉매로서 광활성 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질이 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 반도체는 그의 전도대의 전자가 상기 제 2 구조체로 전달되고, 그의 원자가 전자대의 정공이 물을 산화하고 산소를 발생할 수 있는 포텐셜(potential)을 가지고, 반응 중에 안정하다 라는 조건을 충족시킬 필요가 있다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 p-형 반도체, 반도체를 포함할 수 있으며, 이러한 p-형 반도체의 비제한적 예로서, TiO2, ZnO, SrTiO3, Ta2O5, ZrO2, WO3, BiVO4, Pb4Ti3, CdIn2O4, Fe2TiO5, CrNbO4, Cr2Ti2O7, CdS, MoS2, CdTe, CdZnTe, ZnTe, HgTe, HgZnTe, HgSe, 및 이들의 조합 등을 들 수 있다. 또한, 상기 TiO2는 Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Sb 또는 이들의 조합으로 도핑될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적 구현예에 있어서, 상기 물의 산화반응용 광촉매는 상기 광활성 물질에 추가하여 감광응성 물질을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 광감응성 물질의 비제한적 예로서 당업계에 공지된 유기 염료, 금속 착화합물 염료, 양자점 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 3 구조체는 제 2 지지체 입자 및 상기 제 2 지지체 입자의 표면에 형성된 이산화탄소의 환원반응용 촉매 입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 이산화탄소의 환원반응용 촉매로서 당업계에 공지된 것 및 이산화탄소의 환원 활성을 가지는 촉매 물질들을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 예시적 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소의 환원반응용 촉매로서 빛 조사 하에서 이산화탄소의 환원 활성을 가지는 촉매 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 빛은 가시 광선, 자외선, 적외선 또는 이들의 조합을 포함하는 광을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은, 홀을 가지는 다공성 박막을 이용하여 제조되며, 입자 형태의 상기 제 1 구조체, 상기 제 2 구조체 및 상기 제 3 구조체가 상기 다공성 박막의 홀에 순차적으로 접합되어 배치되어 있는 것일 수 있으나 (도 10b 참조), 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 각각 나노막대 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인으로서 당업계에 공지된 것들 및 양성자 전달 능력을 가지는 물질을 특별히 제한없이 사용할 수 있다, 예시적 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 양성자 전달용 고분자, 양성자 전달용 유리 또는 비결정질 물질, 또는 양성자 전달용 결정질 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예시적 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은, 양성자 전달 능력을 가지는 유기 고분자, 무기 고분자, 또는 유-무기 하이브리드 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 수소이온-교환가능기를 가지는 유기 고분자, 무기 고분자 또는 유-무기 하이브리드 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 불소-함유 양성자 전달용 고분자, 또는 상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자/LDH 복합체를 포함하는
것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 나피온, 나피온/LDH 복합체, 또는 포스포실리케이트를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 2 구조체는 전자 전달을 위한 전도성 유기물, 전도성 무기물, 유기물 반도체, 무기물 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2 구조체는 금속, 반도체, 또는 이들의 조합; 전도성 유기물, 유기물 반도체, 또는 이들의 조합; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전자 전달을 위한 물질은 전도대의 에너지가 충분히 높아 전자를 상기 제 3 구조체로 전달하여 줄 수 있는 물질이면 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 전달을 위한 물질은 TiO2, ZnO 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 전자 전달을 위한 물질은 TiO2, ZnO 또는 이들의 조합을 포함하는 물질의 단결정 형태의 물질을 사용함으로써 이들의 LUMO를 통하여 전자가 용이하게 전달될 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 포함하는, 인공 광합성용 통합 반응 장치를 제공할 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치에 있어서 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 복수개가 어레이 형태로 배열되어 있는 것일 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치는 하기를 포함할 수 있다:
적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부 및 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부가 각각 순차적으로 교대로 배치되어 있는 반응 챔버;
상기 교대로 배치된 물 광산화 반응부 및 이산화탄소 환원 반응부 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 어레이(array);
상기 하나 이상의 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성되는 산소 배출부;
상기 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부 각각의 일측에 형성된 이산화탄소 공급부, 및 타측에 형성되는 생성물 배출부; 를 포함하며,
여기서, 상기 어레이 각각에 포함된 상기 제 1 구조체는 상기 물 광산화 반응부 측에 접하고 상기 제 3 구조체는 상기 이산화탄소 환원 반응부 측에 접하도록 배치되는 것임.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치에 있어서 (도 2 참조), 상기 물 광산화 반응부 측에 빛을 조사하여 상기 제 1 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 이산화탄소 환원용 제 3 구조체로 전달되고, 상기 제 3 구조체에 공급되는 이산화탄소와 상기 전자 및 양성자가 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 특히, 상기 본원에 따른 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치를 이용하는 경우 물 광산화에 의하여 생성된 전자가 상기 제 2 구조체에 의하여 상기 이산화탄소 환원용 제 3 구조체로 전달되며 이러한 과정에서 외부 전압을 인가할 필요가 없어, 상기 인공광합성 반응의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치는 태양 전지 및/또는 태양열 집광 장치와 조합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 태양전지는, 필요한 경우, 상기 제 1 구조체로부터 물 산화에 의하여 발생된 전자의 제 3 구조체로의 전달을 더욱 촉진하기 위하여 상기 제 2 구조체에 연결되어 상기 전자 전달에 필요한 과전압을 공급하거나 또는 상기 제 1 구조체와 상기 제 3 구조체 사이의 상기 전자 전달에 필요한 과전압을 공급할 수 있도록 연결될 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 상기 태양열 집광 장치는 필요한 경우 상기 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치 내에서 일어나는 반응의 온도를 향상시키기 위한 열을 공급하기 위하여 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 3 측면은, 하기를 포함하는, 인공광합성 반응용 복합 구조체를 제공할 수 있다:
빛 조사 하에서 물의 산화 반응용 제 1' 구조체;
전자 전달용 제 2' 구조체; 및,
이산화탄소 환원 반응용 제 3' 구조체
를 포함하며,
여기서,
상기 제 2' 구조체는 그의 양 말단이 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 각각 노출되도록 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 형성되며, 상기 제 1' 구조체 및 상기 제 3' 구조체는 상기 제 2' 구조체의 양측의 각각에 형성되며,
상기 제 1' 구조체에서 빛 조사 하에서 물 산화에 의하여 생성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2' 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3' 구조체에 전달되어 상기 제 3' 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것임.
상기 인공광합성 반응용 복합 구조체 (도 3 참조)에 있어서, 상기 제 1' 구조체에서 물 산화에 의하여 형성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2' 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3' 구조체에 전달되어 상기 제 3' 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 과정에서 외부 전압을 인가할 필요가 없어, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체를 인공광합성 반응에 응용하는 경우 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1' 구조체는 광활성 물질을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 가시광, 자외선 및/또는 적외선에 대하여 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 3' 구조체는 광활성 물질을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 가시광, 자외선 및/또는 적외선에 대하여 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 2' 구조체는 나노 크기 내지 마이크로 크기의 막대 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체는 상기 제 2' 구조체에 형성된 전도층을 추가 포함하는 것일 수 있으나 (도 4 참조), 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 전도층은 전도성 무기물, 전도성 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전도성 무기물은 전이금속 또는 전도성 탄소 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전이금속은 백금, 금, 팔라듐, 니켈, 은, 티타늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 탄소 물질은 그래핀, CNT, 흑연, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체는 상기 제 2' 구조체에 형성된 절연층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체는 상기 제 2' 구조체에 형성된 전도층 및 상기 전도층 상에 형성된 절연층을 추가 포함하는 것일 수 있으나 (도 5 참조), 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 절연층은 절연성 무기물, 절연성 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 절연성 무기물, 및 상기 절연성 유기물은 당업계에 공지된 것들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 무기물은 절연성 금속 산화물, 절연성 무기 고분자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 절연성 유기물은, 절연성 유기 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 절연성 유기 고분자의 비제한적 예로서, 폴레에틸렌계 고분자, 폴리프로필렌계 고분자. 폴리아크릴레이트계 고분자 (예: PMMA 등) 또는 폴리스티렌계 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1' 구조체 및 제 3' 구조체는 각각 나노입자 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인으로서 당업계에 공지된 것들 및 양성자 전달 능력을 가지는 물질을 특별히 제한없이 사용할 수 있다, 예시적 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 양성자 전달용 고분자, 양성자 전달용 유리 또는 비결정질 물질, 또는 양성자 전달용 결정질 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예시적 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은, 양성자 전달 능력을 가지는 유기 고분자, 무기 고분자, 또는 유-무기 하이브리드 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 수소이온-교환가능기를 가지는 유기 고분자, 무기 고분자 또는 유-무기 하이브리드 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 불소-함유 양성자 전달용 고분자, 또는 상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자/LDH 복합체를 포함하는
것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 나피온, 나피온/LDH 복합체, 또는 포스포실리케이트를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 2' 구조체는 전자 전달을 위한 전도성 유기물, 전도성 무기물, 유기물 반도체, 무기물 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1' 구조체는 금속, 반도체, 또는 이들의 조합; 전도성 유기물, 유기물 반도체, 또는 이들의 조합; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 포함하는, 인공 광합성용 통합 반응 장치를 제공할 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치에 있어서, 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 복수개가 어레이 형태로 배열되어 있는 것일 수 있다. 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치는 하기를 포함할 수 있다:
적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부 및 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부가 각각 순차적으로 교대로 배치되어 있는 반응 챔버;
상기 교대로 배치된 물 광산화 반응부 및 이산화탄소 환원 반응부 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 어레이(array);
상기 하나 이상의 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성되는 산소 배출부;
상기 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부 각각의 일측에 형성된 이산화탄소 공급부, 및 타측에 형성되는 생성물 배출부; 를 포함하며,
여기서, 상기 어레이 각각에 포함된 상기 제 1' 구조체는 상기 물 광산화 반응부 측에 접하고 상기 제 3'구조체는 상기 이산화탄소 환원 반응부 측에 접하도록 배치되는 것임.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치에 있어서, 상기 물 광산화 반응부 측에 빛을 조사하여 상기 제 1' 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2' 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 이산화탄소 환원용 제 3' 구조체로 전달되고, 상기 제 3' 구조체에 공급되는 이산화탄소와 상기 전자 및 양성자가 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 특히, 상기 본원에 따른 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치를 이용하는 경우 상기 제 1' 구조체에서 물 광산화에 의하여 생성된 전자가 상기 제 2' 구조체에 의하여 상기 이산화탄소 환원용 제 3' 구조체로 전달되며 이러한 과정에서 외부 전압을 인가할 필요가 없어, 상기 인공광합성 반응의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치는 태양 전지 및/또는 태양열 집광 장치와 조합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 태양전지는, 필요한 경우, 상기 제 1' 구조체로부터 물 산화에 의하여 발생된 전자의 제 3' 구조체로의 전달을 더욱 촉진하기 위하여 상기 제 2' 구조체에 연결되어 상기 전자 전달에 필요한 과전압을 공급하거나 또는 상기 제 1' 구조체와 상기 제 3' 구조체 사이의 상기 전자 전달에 필요한 과전압을 공급할 수 있도록 연결될 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 상기 태양열 집광 장치는 필요한 경우 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치 내에서 일어나는 반응의 온도를 향상시키기 위한 열을 공급하기 위하여 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 5 측면은, 하기를 포함하는, 물 분해 반응용 복합 구조체를 제공할 수 있다:
양성자 전달용 멤브레인;
빛 조사 하에서 물의 산화 반응용 제 1" 구조체;
전자 전달용 제 2" 구조체; 및,
양성자 환원 반응용 제 3" 구조체
를 포함하며,
여기서,
상기 제 2" 구조체는 그의 양 말단이 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 각각 노출되도록 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 형성되며, 상기 제 1" 구조체 및 상기 제 3" 구조체는 상기 제 2" 구조체의 양측의 각각에 형성되며,
상기 제 1" 구조체에서 빛 조사 하에서 물 산화에 의하여 생성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2" 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3' 구조체에 전달되어 상기 제 3" 구조체에서 환원되어 수소를 생성하는 것임.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1" 구조체는 광활성 물질을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 가시광, 자외선 및/또는 적외선에 대하여 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 3" 구조체는 광활성 물질을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광활성 물질은 가시광, 자외선 및/또는 적외선에 대하여 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 2" 구조체는 나노 크기 내지 마이크로 크기의 막대 형태를 가지는 것일 수 있으나 (도 6 참조), 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 물 분해 반응용 복합 구조체는 상기 제 2" 구조체에 형성된 전도층을 추가 포함하는 것일 수 있으나 (도 7 참조), 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 전도층은 전도성 무기물, 전도성 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전도성 무기물은 전이금속 또는 전도성 탄소 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전이금속은 백금, 금, 팔라듐, 니켈, 은, 티타늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 탄소 물질은 그래핀, CNT, 흑연, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 물 분해 반응용 복합 구조체는 상기 제 2" 구조체에 형성된 절연층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 물 분해 반응용 복합 구조체는 상기 제 2" 구조체에 형성된 전도층 및 상기 전도층 상에 형성된 절연층을 추가 포함하는 것일 수 있으나 (도 8 참조), 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 절연층은 절연성 무기물, 절연성 유기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 절연성 무기물, 및 상기 절연성 유기물은 당업계에 공지된 것들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 무기물은 절연성 금속 산화물, 절연성 무기 고분자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 절연성 유기물은, 절연성 유기 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 절연성 유기 고분자의 비제한적 예로서, 폴레에틸렌계 고분자, 폴리프로필렌계 고분자. 폴리아크릴레이트계 고분자 (예: PMMA 등) 또는 폴리스티렌계 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 1" 구조체 및 제 3" 구조체는 각각 나노입자 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인으로서 당업계에 공지된 것들 및 양성자 전달 능력을 가지는 물질을 특별히 제한없이 사용할 수 있다, 예시적 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 양성자 전달용 고분자, 양성자 전달용 유리 또는 비결정질 물질, 또는 양성자 전달용 결정질 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예시적 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은, 양성자 전달 능력을 가지는 유기 고분자, 무기 고분자, 또는 유-무기 하이브리드 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 수소이온-교환가능기를 가지는 유기 고분자, 무기 고분자 또는 유-무기 하이브리드 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 불소-함유 양성자 전달용 고분자, 또는 상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자/LDH 복합체를 포함하는
것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양성자 전달용 멤브레인은 나피온, 나피온/LDH 복합체, 또는 포스포실리케이트를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제 2" 구조체는 전자 전달을 위한 전도성 유기물, 전도성 무기물, 유기물 반도체, 무기물 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 2" 구조체는 금속, 반도체, 또는 이들의 조합; 전도성 유기물, 유기물 반도체, 또는 이들의 조합; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 6 측면은, 상기 본원의 제 5 측면에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체를 포함하는, 물 분해용 통합 반응 장치를 제공할 수 있다. 상기 물 분해용 통합 반응 장치에 있어서, 상기 물 분해 반응용 복합 구조체의 복수개는 어레이 형태로 배열되어 있는 것일 수 있다. 상기 물 분해 반응용 반응 장치는 하기를 포함할 수 있다:
적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부를 포함하며 상기 물 광산화 반응부 각각의 사이에 상기 물 분해 반응용 복합 구조체의 어레이(array)가 배치되어 있는 반응 챔버;
상기 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성된 수소 배출부를 포함하며,
상기 물 광산화 반응부의 일측에 빛을 조사하여 상기 제 1" 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2" 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3" 구조체로 전달되어 환원되어 수소를 생성하는 것임.
일 구현예에 있어서, 상기 물 분해 반응용 반응 장치에 있어서, 상기 물 광산화 반응부 측에 빛을 조사하여 상기 제 1" 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2" 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 이산화탄소 환원용 제 3" 구조체로 전달되고, 상기 제 3" 구조체에 공급되는 이산화탄소와 상기 전자 및 양성자가 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 특히, 상기 본원에 따른 상기 물 분해 반응용 복합 구조체를 이용하는 경우 상기 제 1" 구조체에서 물 광산화에 의하여 생성된 전자가 상기 제 2" 구조체에 의하여 상기 제 3" 구조체로 전달되며 이러한 과정에서 외부 전압을 인가할 필요가 없어, 상기 물 분해 반응의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 물 분해 반응용 반응 장치는 태양 전지 및/또는 태양열 집광 장치와 조합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 태양전지는, 필요한 경우, 상기 제 1" 구조체로부터 물 산화에 의하여 발생된 전자의 제 3" 구조체로의 전달을 더욱 촉진하기 위하여 상기 제 2" 구조체에 연결되어 상기 전자 전달에 필요한 과전압을 공급하거나 또는 상기 제 1" 구조체와 상기 제 3" 구조체 사이의 상기 전자 전달에 필요한 과전압을 공급할 수 있도록 연결될 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 상기 태양열 집광 장치는 필요한 경우 상기 인공 광합성용 통합 반응 장치 내에서 일어나는 반응의 온도를 향상시키기 위한 열을 공급하기 위하여 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체의 모식도 (a) 및 SEM 사진(b)이다. 문지르기를 이용하여 세 종류의 입자를 규칙적으로 배열하여 본원의 일 실시예에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 제조하였다. 상기 세 종류의 입자는 각각 빛 조사 하 물의 산화 반응용 제 1 구조체, 상기 제 1 구조체와 접합되며 상기 제 1 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자를 전달하기 위한 제 2 구조체, 및 상기 제 2 구조체에 접합되며 이산화탄소 환원 반응용 제 3 구조체에 해당하는 것이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체의 SEM 사진 및 수소 생성 실험 결과를 나타내는 것이다.
구체적으로, 상기 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체는 구체적으로, PMMA로 이루어진 홀을 가지는 다공성 박막을 형성하고 상기 다공성 박막 상에 스퍼터링 공정에 의해 CdS 광촉매층을 증착함으로써 CdS 광촉매층을 형성하였다. 상기 CdS 광촉매층의 홀은 매우 규칙적으로 배열되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 9를 참조하면, 상기 PMMA로 이루어진 홀을 가지는 박막 상에 상기 CdS 광촉매층이 형성되어 있음을 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)를 사용하여 추가로 확인할 수 있었다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따라 상기 CdS 광촉매층의 홀 내부에 나피온을 수소 이온 이송 물질로 사용하여 주입함으로써 형성된 물 분해 반응용 복합 구조체의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 단면도와 수소 생성량을 관찰한 그래프를 나타낸다.
보다 구체적으로 도 10을 참조하면, 비교예로서 제조된 분말 형태의 광촉매를 사용하여, 상기 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체를 이용한 수소 생성량을 비교한 결과이다. 모두 반응 조건을 동일하게 유지하였으며, 보다 구체적으로 수소 이온 소스는 0.1 ml 포름산을 사용하였고 상기 각 멤브레인에 100 mW/cm2의 가시광선(태양광)을 약 1 시간 내지 약 5 시간 동안 조사하여 생성되는 H2의 양을 비교 관찰하였다. 도 10에서와 같이, 다공성 구조의 광촉매층을 포함하는 상기 본원의 일 실시예에 따른 물 분해 반응용 복합 구조체는 분말 형태의 CdS (0.1 mg) 광촉매보다 수소 생성량이 많았으며, 반응시간이 지날 수록, 상기 생성량의 차이는 커지는 것을 확인할 수 있었다. 예를 들어, 5 시간 반응 후에는 상기 광촉매층을 사용한 경우와 분말 광촉매층을 사용한 경우의 수소 생성량은 각각 약 1.6 ㎛ol/h, 약 0.15 ㎛ol/h로 약 10 배 이상 차이가 나는 것을 확인하였다.
이상, 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 구현예 및 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.

Claims (46)

  1. 빛 조사 하 물의 산화 반응용 제 1 구조체;
    상기 제 1 구조체와 접합되며 상기 제 1 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자를 전달하기 위한 제 2 구조체;
    상기 제 2 구조체에 접합되며 이산화탄소 환원 반응용 제 3 구조체; 및,
    양성자 전달용 멤브레인을 포함하며,
    상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 배치되고 상기 제 1 구조체의 적어도 일부 및 상기 제 3 구조체의 적어도 일부는 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 노출되어 있으며,
    상기 제 1 구조체에서 물 산화에 의하여 형성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3 구조체에 전달되어 상기 제 3 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것인,
    인공광합성 반응용 복합 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체 각각은 나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기를 가지는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 순차적으로 배열된 단위 복합체를 형성하고 상기 단위 복합체를 하나 이상 포함하는, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구조체는 제 1 지지체 입자 및 상기 제 1 지지체 입자의 표면에 형성된 물의 산화반응용 광촉매 입자를 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 구조체는 제 2 지지체 입자 및 상기 제 2 지지체 입자의 표면에 형성된 이산화탄소의 환원반응용 촉매 입자를 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양성자 전달용 멤브레인은, 홀을 가지는 다공성 박막을 이용하여 제조되며, 입자 형태의 상기 제 1 구조체, 상기 제 2 구조체 및 상기 제 3 구조체는 상기 다공성 박막의 홀에 순차적으로 접합되어 배치되어 있는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 각각 나노입자 형태를 가지는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구조체 내지 제 3 구조체는 각각 나노막대 형태를 가지는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 양성자 전달용 멤브레인은 양성자 전달용 고분자, 양성자 전달용 유리 또는 비결정질 물질, 또는 양성자 전달용 결정질 물질을 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 양성자 전달용 멤브레인은 불소-함유 양성자 전달용 고분자, 상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자/LDH 복합체, 또는 포스포실리케이트를 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자는 나피온을 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 구조체는 전자 전달을 위한 전도성 유기물, 전도성 무기물, 유기물 반도체, 무기물 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 구조체는,
    백금, 금, 팔라듐, 니켈, 은, 티타늄, 구리, 그래핀, CNT, 흑연, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전도성 물질;
    n-형 실리콘, p-형 실리콘, 화합물 반도체, 산화물 반도체 또는 이들의 조합을 포함하는 반도체;
    전도성 유기 고분자, 전도성 무기 고분자, 또는 이들의 조합을 포함하는 전도성 고분자; 또는,
    이들의 조합을 포함하는 것인,
    인공광합성 반응용 복합 구조체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 인공광합성 반응용 복합 구조체를 포함하는, 인공 광합성용 통합 반응 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 복수개가 어레이 형태로 배열되어 있는 것인, 인공 광합성용 통합 반응 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부 및 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부가 각각 순차적으로 교대로 배치되어 있는 반응 챔버;
    상기 교대로 배치된 물 광산화 반응부 및 이산화탄소 환원 반응부 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 어레이(array);
    상기 하나 이상의 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성되는 산소 배출부;
    상기 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부 각각의 일측에 형성된 이산화탄소 공급부, 및 타측에 형성되는 생성물 배출부; 를 포함하며,
    여기서, 상기 어레이 각각에 포함된 상기 제 1 구조체는 상기 물 광산화 반응부 측에 접하고 상기 제 3 구조체는 상기 이산화탄소 환원 반응부 측에 접하도록 배치되는 것인,
    인공 광합성용 통합 반응 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 물 광산화 반응부 측에 빛을 조사하여 상기 제 1 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 이산화탄소 환원용 제 3 구조체로 전달되고, 상기 제 3 구조체에 공급되는 이산화탄소와 상기 전자 및 양성자가 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것인, 인공 광합성용 통합 반응 장치.
  18. 양성자 전달용 멤브레인;
    빛 조사 하에서 물의 산화 반응용 제 1'구조체;
    전자 전달용 제 2' 구조체; 및,
    이산화탄소 환원 반응용 제 3' 구조체
    를 포함하며,
    여기서,
    상기 제 2' 구조체는 그의 양 말단이 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 각각 노출되도록 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 형성되며, 상기 제 1' 구조체 및 상기 제 3' 구조체는 상기 제 2' 구조체의 양측의 각각에 형성되며,
    상기 제 1' 구조체에서 빛 조사 하에서 물 산화에 의하여 생성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2' 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3' 구조체에 전달되어 상기 제 3' 구조체에 공급되는 이산화탄소와 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것인,
    인공광합성 반응용 복합 구조체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2' 구조체는 나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기의 막대 형태를 가지는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2' 구조체는 도체, 부도체, 반도체 또는 이들의 조합을 포함하여 형성된 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2' 구조체는 부도체를 포함하는 코어(core) 및 상기 코어 표면에 형성된 전도층을 포함하여 형성된 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 2' 구조체는 상기 전도층에 형성된 절연층을 추가 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2' 구조체는 전자 전달을 위한 전도성 유기물, 전도성 무기물, 유기물 반도체, 무기물 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하여 형성되는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 2' 구조체는,
    백금, 금, 팔라듐, 니켈, 은, 티타늄, 구리, 그래핀, CNT, 흑연, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전도성 물질;
    n-형 실리콘, p-형 실리콘, 화합물 반도체, 산화물 반도체 또는 이들의 조합을 포함하는 반도체;
    전도성 유기 고분자, 전도성 무기 고분자, 또는 이들의 조합을 포함하는 전도성 고분자; 또는,
    이들의 조합을 포함하는 것인,
    인공광합성 반응용 복합 구조체.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1' 구조체 및 제 3' 구조체는 각각 나노입자 형태를 가지는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  26. 제 18 항에 있어서,
    상기 양성자 전달용 멤브레인은 양성자 전달용 고분자, 양성자 전달용 유리 또는 비결정질 물질, 또는 양성자 전달용 결정질 물질을 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 양성자 전달용 멤브레인은 불소-함유 양성자 전달용 고분자, 상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자/LDH 복합체, 또는 포스포실리케이트를 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자는 나피온을 포함하는 것인, 인공광합성 반응용 복합 구조체.
  29. 제 18 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 따른 복합 구조체를 포함하는, 인공 광합성용 통합 반응 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 복합 구조체의 복수개가 어레이 형태로 배열되어 있는 것인, 인공 광합성용 통합 반응 장치.
  31. 제 29 항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부 및 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부가 각각 순차적으로 교대로 배치되어 있는 반응 챔버;
    상기 교대로 배치된 물 광산화 반응부 및 이산화탄소 환원 반응부 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 인공광합성 반응용 복합 구조체의 어레이(array);
    상기 하나 이상의 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성되는 산소 배출부;
    상기 하나 이상의 이산화탄소 환원 반응부 각각의 일측에 형성된 이산화탄소 공급부, 및 타측에 형성되는 생성물 배출부; 를 포함하며,
    여기서, 상기 어레이 각각에 포함된 상기 제 1' 구조체는 상기 물 광산화 반응부 측에 접하고 상기 제 3' 구조체는 상기 이산화탄소 환원 반응부 측에 접하도록 배치되는 것인,
    인공 광합성용 통합 반응 장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 물 광산화 반응부 측에 빛을 조사하여 상기 제 1' 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2' 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 이산화탄소 환원용 제 3' 구조체로 전달되고, 상기 제 3' 구조체에 공급되는 이산화탄소와 상기 전자 및 양성자가 반응하여 탄화수소를 포함하는 연료 물질을 생성하는 것인, 인공 광합성용 통합 반응 장치.
  33. 양성자 전달용 멤브레인;
    빛 조사 하에서 물의 산화 반응용 제 1" 구조체;
    전자 전달용 제 2" 구조체; 및,
    양성자 환원 반응용 제 3" 구조체
    를 포함하며,
    여기서,
    상기 제 2" 구조체는 그의 양 말단이 상기 양성자 전달용 멤브레인 외부로 각각 노출되도록 상기 양성자 전달용 멤브레인 내에 형성되며, 상기 제 1" 구조체 및 상기 제 3" 구조체는 상기 제 2" 구조체의 양측의 각각에 형성되며,
    상기 제 1" 구조체에서 빛 조사 하에서 물 산화에 의하여 생성된 전자 및 양성자는 각각 상기 제 2" 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3" 구조체에 전달되어 상기 제 3" 구조체에서 환원되어 수소를 생성하는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 2" 구조체는 나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기의 막대 형태를 가지는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 2" 구조체는 도체, 부도체, 반도체 또는 이들의 조합을 포함하여 형성된 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 2" 구조체는 부도체를 포함하는 코어(core) 및 상기 코어 표면에 형성된 전도층을 포함하여 형성된 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 제 2" 구조체는 상기 전도층에 형성된 절연층을 추가 포함하는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 2" 구조체는 전자 전달을 위한 전도성 유기물, 전도성 무기물, 유기물 반도체, 무기물 반도체, 또는 이들의 조합을 포함하여 형성되는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 2" 구조체는,
    백금, 금, 팔라듐, 니켈, 은, 티타늄, 구리, 그래핀, CNT, 흑연, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전도성 물질;
    n-형 실리콘, p-형 실리콘, 화합물 반도체, 산화물 반도체 또는 이들의 조합을 포함하는 반도체;
    전도성 유기 고분자, 전도성 무기 고분자, 또는 이들의 조합을 포함하는 전도성 고분자; 또는,
    이들의 조합을 포함하는 것인,
    물 분해 반응용 복합 구조체.
  40. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 1" 구조체 및 제 3" 구조체는 각각 나노입자 형태를 가지는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  41. 제 33 항에 있어서,
    상기 양성자 전달용 멤브레인은 양성자 전달용 고분자, 양성자 전달용 유리 또는 비결정질 물질, 또는 양성자 전달용 결정질 물질을 포함하는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  42. 제 33 항에 있어서,
    상기 양성자 전달용 멤브레인은 불소-함유 양성자 전달용 고분자, 상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자/LDH 복합체, 또는 포스포실리케이트를 포함하는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  43. 제 33 항에 있어서,
    상기 불소-함유 양성자 전달용 고분자는 나피온을 포함하는 것인, 물 분해 반응용 복합 구조체.
  44. 제 33 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 따른 복합 구조체를 포함하는, 물 분해용 통합 반응 장치.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 복합 구조체의 복수개가 어레이 형태로 배열되어 있는 것인, 물 분해용 통합 반응 장치.
  46. 제 44 항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 광투과성 투명부를 포함하며, 하나 이상의 물 광산화 반응부를 포함하며 상기 물 광산화 반응부 각각의 사이에 상기 물 분해 반응용 복합 구조체의 어레이(array)가 배치되어 있는 반응 챔버;
    상기 물 광산화 반응부 각각의 일측에 형성된 물 공급부 및 타측에 형성된 수소 배출부를 포함하며,
    상기 물 광산화 반응부의 일측에 빛을 조사하여 상기 제 1" 구조체에서 물 산화 반응에 의하여 생성된 전자 및 양성자가 각각 상기 제 2" 구조체 및 상기 양성자 전달용 멤브레인을 통하여 상기 제 3" 구조체로 전달되어 환원되어 수소를 생성하는 것인,
    물 분해용 통합 반응 장치.
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