낮이나 밤이나 일하는 폐수처리 광촉매 개발

빛 없이도 화학반응을 일으키는 새로운 광(光)촉매 기술이 개발됐다. 햇빛을 받아야만 반응하는 기존의 광촉매의 개념을 뒤집은 것이어서 주목된다.

UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 신형준 교수팀은 기존 이산화 티타늄 광촉매 위에 탄소나노소재를 증착시킨 형태로 광촉매를 설계해, 햇빛이 없을 때도 유기 오염물질 제거·살균 효과가 있는 광촉매를 개발했다.

그림1. 수산화라디컬이 오염물질에 달라 붙어 이를 분해하고 있다. 삽입이미지는 축구공 모양 풀레렌이 첨가된 이산화티타늄 광촉매

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.

그림2. 탄소나노소재인 풀레런(C60) 분자가 흡착돼 나타나는이산화 티타늄 표면의 전자 구조 변화

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 전했다.

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.

그림3. 이산화 티타늄 표면에 흡착한 물 분자를 원자 수준에서 분석함

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.