빛으로 화학반응 일으키는 새로운 나노광촉매기술 개발

친환경 유해물 분해, 미래 에너지원 생산 기대

Hydrogen-doped Brookite TiO2 Nanobullets Array as a Novel Photoanode for Efficient Solar Water Splitting

식물 잎의 광합성을 모방하여 수소와 화학연료를 생산하는 인공광합성 기술은 미래 대체 에너지원을 개발한다는 의미에서 관심을 받고 있다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 용기중 교수·장현명 교수(포항공대), 이재성 교수(울산과학기술원) 공동연구팀이 인공광합성의 핵심기술인 새로운 나노 광촉매^* 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

*나노 광촉매: 빛을 받아들여 화학반응을 촉진시키는 나노크기의 물질을 말하고 이러한 반응을 광화학반응이라고 일컬음.

연구팀이 개발한 것은 대표적인 광촉매 이산화티타늄^*의 결정구조 중 제 3의 결정구조인 브루카이트(brookite)로 자연적으로 매우 희귀하고, 합성이 어려운 특징이 있어 연구가 거의 이루어지지 않았다. 연구팀은 간단한 용액반응을 이용하여 독창적인 구조의 브루카이트 나노소재를 성공적으로 합성할 수 있었다. 또한 합성된 나노총알 모양의 브루카이트 광촉매를 수소 도핑하여 전기적 특성을 향상시켰으며, 이를 통해 인공광합성 광전극으로서 매우 우수한 특성을 나타냄을 밝혀냈다.

*이산화티타늄 : TiO₂ 분자식을 가지는 대표적인 광촉매 물질로서 티타늄과 산소의 결합형태에 따라서 아나타제(anatase), 루타일(rutile), 브루카이트(brookite)의 세 가지 결정 구조를 가짐.

특히 기판 위에 나노광촉매를 직접 합성함으로써 광촉매의 회수가 쉽도록 하고, 전극소재로의 활용이 매우 편리하며, 지금까지 많이 연구되지 않은 새로운 결정구조의 나노 광촉매를 개발하였다는 점에서 활용의 폭을 넓혔다.

용기중 교수는“이 연구 성과는 새로운 나노 광촉매를 개발할 수 있는 원천기술을 개발한 것이다. 친환경적으로 유해물 분해가 가능하고, 회수가 쉽기 때문에 향후 인공광합성을 통한 수소 생산 및 화학연료 제조 등 대체에너지 생산 및 친환경 분야 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행되었으며, 국제적인 학술지 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 10월 26일자에 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

- 논문명: Hydrogen-doped Brookite TiO2 Nanobullets Array as a Novel Photoanode for Efficient Solar Water Splitting

- 저자 정보: 용기중(포항공대, 교신저자), 최민기(포항공대, 제1저자), 이준호(포항공대, 공동저자), 장윤정(포항공대, 공동저자), 김동형(포항공대, 공동저자), 이재성(UNIST, 공동저자), 장현명(포항공대, 공동저자)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

인공광합성은 광전기화학적 반응을 기반으로 물 분해 및 이산화탄소 전환을 통해 수소와 화학연료를 생산할 수 있는 시스템으로서 미래 대체에너지 개발이라는 측면에서 현재 많은 관심을 받고 있다.

인공광합성의 핵심적인 부분으로 광촉매 기반 광전극을 들 수 있다. 시스템 효율 향상을 위해서는 비표면적이 넓은 나노구조의 고성능 광촉매 개발이 필수적이다. 특히 연구단계를 넘어 실제로 사용되기 위해서는 경제적이며 안정적인 고효율의 광촉매 개발이 요구된다.

2. 연구내용

이 연구에서는 대면적 증착이 가능하고 저비용 공정인 용액합성법을 이용하여 나노총알 모양의 브루카이트 광촉매를 기판에 직접 성장시키는 새로운 합성법을 개발하였다.

성장된 브루카이트 나노 광촉매는 단결정의 고품질을 나타냈으며, 인공광합성 소자의 광전극으로서 우수한 특성을 나타냈다.

특히 이 연구에서는 브루카이트 나노 광촉매의 전기적 특성 향상을 위해서 열처리 공정을 통해서 수소를 도핑함으로써 광전기화학적 특성 향상을 가져왔으며, 이론적인 계산을 통해서 도핑된 수소 이온이 전자주개로 작용하여 전자밀도를 높이고 밴드갭 에너지를 줄이는 효과가 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 특성은 광전기화학 반응 효율을 높이는 효과로 이어졌다.

3. 연구 성과

이 연구를 통해서 용액합성법과 열처리를 통해서 수소 도핑된 브루카이트 나노 광촉매를 최초로 개발하였다. 이 연구는 그 동안 거의 연구되지 않았던 이산화티타늄의 제3의 결정상을 단결정 형태의 고품질로 제조했다는 데 또한 의의가 크다.

합성된 브루카이트 나노 광촉매는 새로운 광전극 소재로서 인공광합성 기반의 물분해를 통한 수소 생산 효율을 높일 것으로 기대된다. 또한 브루카이트 나노 광촉매는 오염물질 분해 등의 친환경 분야에도 활용 가능할 것으로 기대된다.

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

최근 화석 연료의 고갈로 인해서 이를 대체하는 친환경에너지 개발에 대한 관심이 고조되고 있다. 대안으로 떠오르는 기술로서 자연잎의 광합성을 인공적으로 모사하는 인공광합성기술을 들 수 있다. 인공광합성 시스템의 핵심요소로는 빛을 흡수하여 전자를 발생시키는 광전극을 들 수 있다. 인공광합성 효율 향상을 위해서는 새로운 고 성능의 광촉매 개발이 필수적으로 요구된다.

이산화티타늄은 대표적인 광촉매 물질로서 기본적으로 세 가지 결정구조를 가진다. 대표적으로 아나타제(anatase), 루타일(rutile), 브루카이트 (brookite)를 들 수 있으며, 이 중 다른 두 개의 결정구조에 비해서 브루카이트는 자연에 희귀하게 존재하며 상대적으로 거의 연구가 되지 않았다.

2. 연구내용

이 연구에서는 나노총알 모양의 고품질 브루카이트 나노 광촉매를 기판에 직접 성장시키는 합성 방법을 최초로 개발하였다. 저비용 공정이며 대면적 증착이 가능한 용액합성법을 이용하여 브루카이트 나노 광촉매를 합성하였으며, 이를 광전극으로 활용하여 인공광합성 시스템을 제작하고 물 분해를 통한 수소 생산을 연구하였다.

브루카이트 나노 광촉매의 전기적 특성 향상을 위해서 열처리를 통해서 수소 도핑 연구를 진행하였으며, 수소 도핑된 광촉매의 광전기화학적 반응 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

밀도범함수이론(density functional theory)^*을 기반으로 계산을 통해서 격자 사이에 도핑된 수소이온은 전자주개로 작용하여 전자밀도를 높이고 동시에 밴드갭 에너지를 낮추어 더 많은 빛을 흡수할 수 있도록 도와줌을 밝혀냈다. 이를 통해서 수소 도핑된 브루카이트 나노 광촉매는 차세대 광전극으로서 높은 가능성을 나타냄을 보인 바 있다.

*밀도범함수이론 (density functional theory) : 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자 역학으로 계산하기 위한 이론의 하나.

3. 기대효과

이 연구를 통해서 새롭게 합성된 브루카이트 나노 광촉매는 인공광합성을 통한 수소생산 효율을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 또한 그 동안 거의 연구되지 않았던 이산화티타늄의 제3의 결정구조를 단결정의 고품질 나노소재로 합성하고 최초로 광전류를 측정하여 물질의 특성을 밝혔다는데 학술적 의의가 높다. 인공광합성 외에 브루카이트 나노 광촉매는 오염물질 분해 등 다양한 친환경 분야에도 활용가능성이 높을 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구실은 지난 10 여 년간 다양한 반도체 나노소재를 합성하는 연구를 수행해 왔다. 이에 맞추어 새로운 나노 광촉매 개발하는 연구를 진행해 왔으며, 동시에 이를 이용하여 물분해 수소생산 시스템을 개발하는 연구를 수행하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

대표적인 광촉매인 이산화티타늄(TiO2)의 나노소재를 합성하는 과정에서 다양한 조건에서 실험 중 새로운 결정구조의 나노총알 모양의 소재를 합성하게 되었고, 이 구조가 이산화티타늄의 제3의 결정인 브루카이트 결정임을 확인하게 되었다. 또한 열처리를 통한 수소 도핑을 통해서 광전극으로서의 특성을 향상시키는 결과를 얻을 수 있었으며, 동시에 이론계산을 통해서 도핑된 결정원자구조를 밝힐 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

용액합성법을 통해서 새로운 나노 광촉매를 발견하게 되면서 결정 성장 메커니즘을 밝히는 기초연구를 수행하였으며, 기저의 성장 메커니즘을 밝히는 과정에서 많은 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위하여 반응 시간별로 다양한 분석을 하는 노력이 이루어졌다. 또한 도핑구조를 이해하고 특성 향상의 이유를 찾기 위하여 실험결과와 이론계산을 병행하여 공동연구를 통한 시너지 효과를 얻을 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이 연구를 통해서 합성된 나노총알 모양의 브루카이트 광촉매는 최초로 합성된 새로운 소재이다. 그동안 이산화티타늄 광촉매 연구는 무수히 많이 이루어져 왔으나 대부분은 아나타제, 루타일 결정들의 연구에 국한되어 왔다. 따라서 본 연구를 통해서 제3의 결정구조에 대한 새로운 나노 광촉매 소재를 개발하고 최초로 광전류 특성을 밝혔다는 의의가 있으며, 또한 수소 도핑을 통해서 매우 뛰어난 광전기화학 소재를 개발했다는데도 큰 의미가 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

향후 이 연구를 더욱 발전시켜서 태양전지와 광전기화학셀을 결합한 자기구동형 고효율 인공광합성 셀을 개발하고자 한다.

용 어 설 명

1. 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)

ㅇ Nature publication group (NPG)에서 발행하는 국제적 학술지

2. 인공광합성 (Artificial photosynthesis)

ㅇ자연잎의 광합성 반응을 모사하여 인공적으로 제작한 잎 시스템. 일반적으로 광전기화학 반응을 이용하여 물을 분해하여 수소를 생산하거나 이산화탄소를 전환하여 화학연료를 합성함.

3. 광촉매 (Photocatalyst)

ㅇ 빛을 받아들여 화학반응을 촉진시키는 물질로서 대표적인 광촉매 물질로서 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 텅스텐산화물(WO3) 등을 들 수 있다.

4. 광전기화학셀 (Photoelectrochemical Cell)

ㅇ 빛을 흡수하여 생성된 전자/정공을 이용하여 전기화학적 반응을 유도하는 시스템. 대표적인 예로서 광전기화학적 물 분해 시스템을 들 수 있다. 이 시스템은 광전극과 상대전극 그리고 전해질 용액으로 이루어짐. 광전극이 빛을 흡수하여 전자가 생성되면 반대전극으로 이동하여 수소이온을 환원하여 수소기체를 생성하고, 광전극에서는 남아 있는 정공이 물 분자를 산화하여 산소기체를 발생시킴.

그 림 설 명