울산과학기술원(UNIST)은 빛 없이도 화학반응을 일으키는 새로운 광촉매 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
UNIST에 따르면 신소재공학과 신형준 교수 연구팀은 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 라디칼은 미세플라스틱, 폐염료 등 유기 오염물질 분해와 살균 효과가 있어 폐수 처리나 공기 정화 기수에 사용할 수 있다.
하지만 이산화 티타늄 광촉매는 고에너지 자외선으로 활성화돼야만 물을 분해할 수 있다.
연구팀이 개발한 복합 촉매는 햇빛이 광촉매를 활성화하는 과정 없이 물을 분해해 수산화 라디칼을 만든다.
이는 이산화 티타늄과 축구공 모양으로 연결된 탄소나노소재인 풀러렌 사이에 생긴 '전자 수용 에너지 준위' 덕분이라고 연구팀은 설명했다.
이 촉매는 원자 내 전자 구조까지 분석할 수 있는 초고해상도 주사터널링현미경(STM)을 활용해 설계됐다.
주사터널링현미경으로 이산화 티타늄과 풀러렌 분자가 만나서 생기는 전자 구조 변화를 분석해 그 원리를 적용했다.
이산화 티타늄의 전자(음전하를 띠는 입자)가 새로 생긴 '전자 수용 에너지 준위'로 이동하면서 정공(양전하를 띠는 입자)만 남게 되는 원리다.
이산화 티타늄의 정공과 물 분자가 만나면 물 분자가 분해돼 수산화 라디칼이 생긴다.
이 촉매로 대표 유기 오염물인 염료 분자를 빛이 없는 환경에서 분해하는 실험을 한 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.
신형준 교수는 "이번 연구로 광촉매 개발에서 단위 원자 수준의 분석 방법과 새로운 소재 설계 방식을 제시했다"며 "탄소 재료나 광촉매로 이뤄진 유·무기 복합 소재 개발의 플랫폼 기술로 다양하게 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.
연구는 미국 화학회(ACS)의 촉매 분야 학술지인 'ACS 카탈리시스'(ACS Catalysis) 표지 논문으로 선정돼 5월 20일 자로 출판됐다.
연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 국가과학자지원사업, 기초과학연구원 등의 지원을 받았다.
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