Global sustainable energy needs and carbon neutrality goals make hydrogen a key future energy source. South Korea and Japan lead with proactive hydrogen policies, including South Korea's Hydrogen Law and Japan's strategy updates aiming for a hydrogen-centric society by 2050. A notable advance is the solar thermal chemical water-splitting cycle for green hydrogen production, spotlighted by Korea Institute of Energy Research (KIER) and Niigata University's joint initiative. This method uses solar energy to split water into hydrogen and oxygen, offering a carbon-neutral hydrogen production route. The study focuses on international collaboration in solar energy for thermochemical water-splitting and E-fuel production, highlighting breakthroughs in catalyst and reactor design to enhance solar thermal technology's commercial viability for sustainable fuel production. Collaborations, like ARENA in Australia, target global carbon emission reduction and energy system sustainability, contributing to a cleaner, sustainable energy future.
다양한 수소에너지의 생산방법 중에서 진정으로 청정하고 지속가능한 유일한 기술이 물로부터 수소를 획득하는 태양-수소제조 시스템이다. 태양에너지를 활용한 물로부터 수소생산 연구는 1979년 일본 동경대학의 Honda와 Fujishima 교수의 광전기화학적 방법이 성공적으로 제시된 이래로 매우 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 이러한 관심은 가시광 광촉매 제조, 광전기화학전지 등의 개발을 유발하였으며, 융합기술의 하나인 바이오-광촉매 복합시스템 구성 등의 연구를 도출시켰다. 본 고에서는 이들 태양의 광에너지를 직접 활용한 물분해 수소생산 기술을 소개하였으나 태양열을 이용한 수소 제조기술은 포함시키지 않았다.
미래의 무한 청정 에너지원으로 고려되고 있는 태양에너지를 활용하여 수소를 생산할 수 있는 광촉매재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 태양광을 이용한 물분해 수소생산용 광촉매재료들에 대하여 알아보고, 현재까지 보고된 다양한 광촉매재료의 특성들을 검토하고자 한다. 또한, 다양한 광촉매재료를 활용하여 수소생산 효율을 높이기 위해서 시행되었던 촉매재료 개질 방법들을 통하여 향후 지속적으로 진행될 연구방향을 모색해 보고자 한다. 각각의 광촉매재료들이 활성을 가질 수 있는 빛의 영역을 알아보고, 광촉매 작용에 필수적인 광원, 광밀도, 파장영역 등의 중요성에 대해서도 토론한다.
The basic principle and concept for hydrogen production via water-splitting process are introduced. In particular, recent research activities and their progress in the photoelectrochemical water-splitting process are investigated. The material perspectives of semiconducting photocatalysts are considered from metal oxides, including titanium oxides, to carbon compounds and perovskites. Various structural configurations, from conventional photoanodes with metal cathodes to tandem and nanostructures, are also studied. The pros and cons of each are described in terms of light absorption, charge separation/photoexcited electron-hole pair recombinations and further solar-to-hydrogen efficiency. In this research, we attempt to provide a broad view of up-to-date research and development as well as, possibly, future directions in the photoelectrochemical water-splitting field.
Photocatalytic water splitting into $H_2$ and $O_2$ using semiconductors has received much attention, especially for its potential application to direct production of $H_2$ for clean energy from water utilizing solar light energy. Since the report of Fujishima and Honda on the water splitting by photoelectrochemical cells, numerous different semiconducting materials have been used as photocatalysts for hydrogen generation from water. Among them, platinized titania significantly accelerates hydrogen production from water. For geometrical improvement of $TiO_2$ particle, porous $TiO_2$ structure was proposed and studied such as nanofiber, nanorod and nototubes. This research focuses on finding out the optimum temperature and electrolyte to produce $H_2$ by solar water splitting.
Solar energy conversion to hydrogen was carried out via a two-step thermochemical water splitting using metal oxide redox pair. To simulate the solar radiation, a 7 kW short arc Xe-lamp was used. Partially reduced iron oxide and cerium oxide have the water splitting ability, respectively. So, $Fe_3O_4$ supported on $CeO_2$ was selected as the active material. $Fe_3O_4/CeO_2$(20 wt/80 wt%) was prepared by impregnation method, then the active material was washcoated on the ceramic honeycomb monolith made of mullite and cordierite. Oxygen was released at the reduction step($1673{\sim}1823\;K$) and hydrogen was produced from water at lower temperature($873{\sim}1273\;K$). The result demonstrate the possibility of the 2-step thermochemical water splitting hydrogen production by the active material washcoated monolith. And hydrogen and oxygen was produced separately without any separation process in a monolith installed reactor. But the SEM and EDX analysis results revealed that the support used in this experiment is not suitable due to the thermal instability and coating material migration.
본 총설에서는 최근 전세계적으로 각광 받고 있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트 소재에 기반한 태양광 물분해 연구에 대해 정리하였다. 크게, 현재까지 연구보고들을 태양전지-전기분해기 구성 (photovoltaic-electrolyzer configuration) 및 통합 태양광 물분해 (integrated photoelectrolysis)로 분류하여 최근 연구결과들을 소개하였다. 해당 분야 연구는 아직 초기 단계에 있으며, 향후 효과적인 보호막 개발, 고전압 텐덤전지 제작 등이 필요함을 보였다.
Chae, Sang Youn;Jung, Hejin;Joo, Oh-Shim;Hwang, Yun Jeong
Rapid Communication in Photoscience
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제4권4호
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pp.82-85
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2015
Photoelectrochemical cell (PEC) is one of the attractive ways to produce clean and renewable energy. However, solar to hydrogen production via PEC system generally requires high external bias, because of material's innate electronic band potential relative to hydrogen reduction potential and/or charge separation issue. For spontaneous photo-water splitting, here, we design dye-sensitized solar cell (DSSC) and their monolithic tandem cell incorporated with a $BiVO_4$ photoanode. $BiVO_4$ has high conduction band edge potential and suitable band gap (2.4eV) to absorb visible light. To achieve efficient $BiVO_4$ photoanode system, electron and hole mobility should be improved, and we demonstrate a tandem cell in which $BiVO_4/WO_3$ film is connected to cobalt complex based DSSC.
Chandrasekaran, Sundaram;Chung, Jin Suk;Kim, Eui Jung;Hur, Seung Hyun
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제7권1호
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pp.1-12
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2016
The production of oxygen and hydrogen from solar water splitting has been considered to be an ultimate solution for energy and environmental issues, and over the past few years, nano-sized semiconducting metal oxides alone and with graphene have been shown to have great promise for use in photocatalytic water splitting. It is challenging to find ideal materials for photoelectrochemical water splitting, and these have limited commercial applicability due to critical factors, including their physico-chemical properties, the rate of charge-carrier recombination and limited light absorption. This review article discusses these main features, and recent research progress and major factors affect the performance of the water splitting reaction. The mechanism behind these interactions in transition metal oxides and graphene based nano-structured semiconductors upon illumination has been discussed in detail, and such characteristics are relevant to the design of materials with a superior photocatalytic response towards UV and visible light.
GaN은 III-V족 화합물 반도체로 밴드갭을 조절하는 것이 가능하고 화학적으로 안정하기 때문에 다른 물질에 비해 산성, 염기성 용액에서 부식이 적다. 또한 GaN의 밴드갭이 물의 산화·환원 준위를 포함하고 있어 외부전압 없이 물 분해가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 GaN 자체만으로는 태양광-수소 변환 효율(solar-to-hydrogen conversion efficiency, STH)이 낮아 이를 개선하기 위해 최근 활발한 연구가 이루어지고 있다. 본 총설에서는 GaN을 PEC 물분해의 광전극으로 사용하기 위한 방법들과 연구에 대해 정리하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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