복합 광촉매로 물속 항생제 제거 및 수소 생산 효율 높였다
나노물질 이종결합으로 활성 극대화, 환경·에너지 분야 활용 기대
수중 유기오염물 제거와 청정 수소에너지 생산과 같은 환경, 에너지 문제를 해결하기 위해 광촉매가 널리 연구 개발되고 있다. 다양한 광촉매가 연구 개발돼 왔으나, 활성이 만족스러운 수준에 미치지 못했다.
최근에 이중층 수산화물(layered double hydroxide, LDH)과 맥신(MXene)과 같은 2차원 나소소재들은 우수한 특성으로 인해 많은 각광을 받고 있다.
나노반도체를 활용한 광촉매 활성을 향상시키기 위해서는, 이종접합 계면에서의 효율적인 전하 수송(charge transfer)과 충분한 수송 채널(channel) 및 활성점(active site)을 확보하는 것이 중요하다.
최근 전이금속 기반의 복합 광촉매로 물 속 항생제를 제거하고 수소 생산 효율을 높이는 기술이 개발됐다. 하천에 유입된 항생제 등 수중 오염물질 제거와 물을 이용한 친환경 수소 생산의 효율을 높일 복합 광촉매 제조 기술로 평가받고 있다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 전북대학교 유승화 교수 연구팀이 이중층 수산화물(LDH)과 공촉매 맥신(MXene)을 결합해 성능을 극대화한 복합 광촉매 개발에 성공했다고 밝혔다.
▲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 활성이 우수하지 못해 실제 활용은 어려운 실정이다.
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 수열합성하는 새로운 광촉매 제조법을 개발했다.
▲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.
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 계획”이라고 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 게재됐다.
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