복합 광촉매로 물속 항생제 제거 및 수소 생산 효율 높였다
- 나노물질 이종결합으로 활성 극대화, 환경·에너지 분야 활용 기대 -
□ 하천에 유입된 항생제 등 수중 오염물질 제거와 물을 이용한 친환경 수소 생산의 효율을 높일 복합 광촉매 제조 기술이 개발됐다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 전북대학교 유승화 교수 연구팀이 이중층 수산화물(LDH)*과 공촉매** 맥신(MXene)***을 결합해 성능을 극대화한 복합 광촉매 개발에 성공했다고 밝혔다.
* 이중층 수산화물:(Layered double hydroxides) : [AcB Z AcB]n 층 구조를 가지는 이온성 고체. 여기서 c는 금속 양이온, A와 B는 수산화 양이온(OH-)층, Z는 다른 양이온 또는 물과 같은 중성 분자층.
** 공촉매 : 촉매의 활성을 높이거나 촉매에 의해 일어나는 반응을 규제 또는 변화시키기 위해 첨가하는 성분.
*** 맥신(MXene): 2차원 나노물질로 전기전도성과 열전도성 및 기계적 강도, 화학적 안정성이 우수한 신소재.
□ 광촉매(photocatalyst)는 빛에너지를 흡수해 광화학 반응을 개시하고, 광화학 반응을 촉진하는 화합물이다.
○ 최근 물속 유기오염물 제거와 청정 수소에너지 생산 등 환경·에너지 분야에서 다양한 광촉매 연구가 진행되고 있다. 하지만, 대부분 활성*이 우수하지 못해 실제 활용은 어려운 실정이다.
* 활성: 물질이 에너지나 빛 따위에 의해 활동이 활발해지며 반응 속도가 빨라지는 성질 또는 촉매의 반응 촉진 능력.
□ 광촉매의 활성을 높이려면 이종의 나노소재가 접합하는 계면에서 효율적인 전하 수송(charge transfer)과 충분한 수송 채널(channel), 그리고 높은 활성점(active site)을 확보해야 한다.
□ 연구팀은 코발트(Co)와 철(Fe)을 결합한 이중층 수산화물(LDH)과 티타늄(Ti)과 탄소(C)를 결합한 ‘Ti3C2 맥신’을 합성한 후, 이들을 크롬(Cr) 전구체와 수열합성**하는 새로운 광촉매 제조법을 개발했다.
* 전구체 : 화학반응 등에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정 물질이 되기 전 단계의 물질
**수열합성: 높은 증기압에서 고온 수용액으로부터 물질을 결정화해 합성하는 방법
□ 연구팀은 코발트·철-이중층 수산화물(CoFe-LDH) 표면에서 코발트철크롬산화물(CoFeCrO4) 나노입자들이 동시에(in-situ) 성장함을 확인했다.
○ 이들 이종접합(CoFe-LDH/CoFeCrO4) 계면에는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)*이 형성돼 광생성 전하 수송체의 분리 효율이 증가했다.
* 쇼트키 장벽(Schottky barrier) : 금속-반도체 접합에서 형성되는 전자에 대한 포텐셜 에너지 장벽
○ 더불어 이종접합(CoFe-LDH/CoFeCrO4)과 Ti3C2 맥신은 결합 후 복합 광촉매로서 적합한 전자밴드구조를 형성하고, 충분한 활성점을 제공했다.
□ 유승화 교수는 “이번 연구에서 개발한 복합 광촉매는 환경·에너지 등 다양한 응용 분야에 적용이 기대된다”라며, “실용화의 기반을 마련하기 위해 기판, 팰렛 등 다양한 형상으로 제조할 수 있는 추가 연구를 추진할 계획이다”라고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자와 기초연구실 지원사업으로 수행된 이번 연구 성과는 공학·재료과학 분야 국제학술지 ‘컴퍼지트스 파트 비: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’에 4월 1일 온라인 게재되었다.
