주사터널링현미경 기반 분석 통한 촉매 설계 방식 제시
[정보통신신문=박남수기자]
울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 신형준 교수팀은 기존 이산화 티타늄 광촉매 위에 탄소나노소재를 증착시킨 형태로 광촉매를 설계해, 햇빛이 없을 때도 유기 오염물질 제거·살균 효과가 있는 광촉매를 개발했다.
광촉매가 물을 분해해 만드는 수산화 라디컬(OH·)은 미세플라스틱, 폐염료 같은 유기 오염물질을 분해하고 살균 효과도 있어 광촉매를 폐수처리나 공기 정화 기술에 쓸 수 있다. 하지만 이산화 티타늄(TiO2) 광촉매는 고에너지 자외선으로 활성화돼야만 물을 분해할 수 있다.
연구팀이 개발한 복합 촉매는 햇빛이 광촉매를 활성화하는 과정 없이 물을 분해해 수산화 라디컬을 만든다.
이는 이산화 티타늄과 탄소나노소재인 풀러렌 사이에 생긴 ‘전자 수용 에너지 준위’ 덕분이라는 설명이다.
이 촉매로 유기 오염물을 대표하는 염료 분자를 빛이 없는 환경에서 분해하는 실험을 해 본 결과, 70%의 염료 분해 효과를 보였다. 또 빛이 있을 때는 기존의 광촉매 효과를 이용할 수 있으며, 한 번 사용한 광촉매를 재사용 할 수도 있다.
제1 저자인 손소담 UNIST 신소재공학과 박사는 “촉매 반응 후 해로운 부산물이 생기지 않는 데다가, 낮에는 기존의 광촉매 효과로 물을 분해할 수 있고, 재사용이 가능해 수처리, 살균 기술 등의 효율을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.
이 촉매는 원자 내 전자 구조까지 분석할 수 있는 초고해상도 주사터널링현미경(STM)을 활용해 설계됐다.
주사터널링현미경으로 이산화 티타늄과 풀레런 분자가 만나서 생기는 전자 구조 변화를 분석해, 그 원리를 적용한 촉매다.
이산화 티타늄의 전자(음전하를 띠는 입자)가 새로 생긴 ‘전자 수용 에너지 준위’로 이동하면서 이산화 티타늄에는 정공(양전하를 띠는 입자)만 남게 되는 원리다. 이산화 티타늄의 정공과 물 분자가 만나면 물 분자가 분해돼 수산화 라디컬이 생긴다.
교신저자인 신형준 교수는 “이번 연구로 광촉매 개발에서 단위 원자 수준의 분석 방법과 새로운 소재 설계 방식을 제시했다”며 “탄소 재료나 광촉매로 이루어진 유·무기 복합 소재 개발의 플랫폼 기술로 다양하게 적용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
UNIST 물리학과 박기복 교수팀, 화학과 김광수 교수가 참여한 이번 연구는 촉매분야 세계적 학술지인 ACS 촉매(ACS Catalysis) 표지논문으로 선정돼 5월 20일자로 출판됐다.
연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 기초과학연구원, 국가과학자지원사업의 지원으로 이뤄졌다. (논문명: C60 adsorbed on TiO2 drives dark generation of hydroxyl radicals)
