수중 유기오염물 제거와 청정 수소에너지 생산과 같은 환경·에너지 문제를 해결하기 위한 광촉매 연구개발(R&D)이 널리 이뤄지고 있다. 하지만 세계적으로 광촉매의 활성이 만족스러운 수준이 아니다. 최근 이중층 수산화물(layered double hydroxide)과 맥신(MXene)과 같은 2차원 나소 소재들이 우수한 특성을 보이며 각광을 받는 게 이 때문이다. 다만 나노반도체를 활용한 광촉매 활성을 향상시키려면 이종접합 계면에서의 효율적인 전하 수송과 충분한 수송 채널·활성점 확보가 중요하다.
이와 관련, 국내 연구팀이 하천에 유입된 항생제 등 수중 오염물질을 제거하고 물을 활용한 친환경 수소 생산의 효율성을 높일 복합 광촉매 제조 기술을 개발해 눈길을 끈다. 유승화 전북대 양자시스템공학과 교수 연구팀이 이중층 수산화물과 광촉매 맥신을 결합해 성능을 극대화한 복합 광촉매 개발에 성공했다고 한국연구재단은 17일 밝혔다. 논문의 제1저자는 레카 파라마닉 박사후연구원과 라그나마이 모하파트라 연구조교수다.
연구팀은 코발트(Co)와 철(Fe)을 결합한 이중층 수산화물과 티타늄(Ti)과 탄소(C)를 결합한 ‘Ti3C2 맥신’을 합성한 뒤 이들을 크롬(Cr) 전구체와 수열 합성하는 새로운 광촉매 제조법을 개발했다. 이를 통해 코발트·철-이중층 수산화물(CoFe-LDH) 표면에서 코발트철크롬산화물(CoFeCrO4) 나노입자들이 동시에 성장하는 것을 확인했다. 이종접합(CoFe-LDH/CoFeCrO4) 계면에서 쇼트키 장벽이 형성돼 광생성 전하 수송체의 분리 효율이 증가한 것이다. 쇼트키 장벽은 금속·반도체 접합에서 형성되는 전자에 대한 포텐셜 에너지 장벽이다. 이종접합과 Ti3C2 맥신이 결합돼 복합 광촉매로서 적합한 전자 밴드 구조를 형성하고 충분한 활성점을 제공한 점도 눈에 띈다.
이번 연구 성과는 환경오염을 방지하고 청정에너지 기술을 발전시키는 데 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 새로 개발된 복합 광촉매가 공업용수에서 항생제, 특히 테트라사이클린 염산염을 제거하는 동시에 녹색 에너지원인 수소를 생산하는 데 탁월한 성능을 보여주기 때문이다. 유 교수는 “이번에 개발한 복합 광촉매가 수질 개선과 친환경 에너지 개발 등 다양한 환경·에너지 분야에서 응용될 것으로 기대된다”며 “분말 상태의 광촉매를 보다 널리 활용할 수 있도록 팰릿이나 막 형태로 가공하고 그 성능을 평가하는 연구를 할 것”이라고 밝혔다. 현재는 기초연구 단계에서의 제조와 성능 평가 연구라 상용화를 위해서는 스케일업 제조 공정 연구가 필요하다는 것이다.
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