숙명여자대학교 최경민 교수(사진) 연구팀이 친환경 미래기술로 주목받는 인공광합성을 구현하기 위한 신소재를 개발했다. 향후 태양에너지를 이용하는 연관 산업에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

최경민 교수와 미국 UC버클리대 화학과 Omar M. Yaghi 교수 및 Peidong Yang 교수 공동연구팀은 “금속유기구조체를 플라즈모닉 나노입자에 코팅해 새로운 형태의 광촉매를 개발하는데 성공했다”고 18일 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받았고, 관련내용은 미국화학회가 발간하는 화학분야 톱10 학술지 Journal of the American Chemical Society (IF:13.038)에 발표됐다.

(논문명: Plasmon-Enhanced Photocatalytic CO2 Conversion within Metal-Organic Frameworks Under Visible Light)

태양에너지를 이용해 이산화탄소를 고부가가치의 화학소재 및 연료로 전환시키는 인공광합성 기술은 친환경적인 미래기술로 부각되고 있다. 최 교수에 따르면 이러한 기술을 구현하려면 태양빛을 받아 원하는 화합물의 합성을 위한 촉매작용을 하는 광촉매의 개발이 필수적이다. 이 중 분자형태의 광촉매는 생산물에 대한 높은 선택성을 가지며 다른 부산물 없이 원하는 광화학반응을 촉진시킬 수 있는 장점이 있지만, 반응과정에서 안정성이 부족하여 그 촉매활성을 쉽게 잃어버리기 때문에 고안정성 및 고효율 촉매로써 쓰이기에는 한계가 있었다.

이에 따라 최 교수와 UC버클리대 공동연구팀은 분자형태의 광촉매를 다공성 금속유기구조체 내부에 고정하고 최적화함으로써 높은 안정성과 선택성을 가지는 광촉매적 금속유기구조체를 제조하고, 이를 플라즈모닉 나노입자의 표면에 코팅하여 고효율, 고선택성, 고안정성을 가진 이산화탄소 환원용 플라즈모닉 광촉매를 개발하는데 성공했다.

플라즈모닉 광촉매는 태양빛이 입사되었을 때 플라즈모닉 나노입자의 표면에서의 공명현상에 의해 그 에너지 크기가 증폭되고, 증폭된 에너지는 표면에 코팅된 금속유기구조체로 공급되어 내부에 위치한 분자형태의 광촉매가 향상된 광촉매 반응을 할 수 있도록 설계됐다. 따라서 고선택성을 가지는 분자형태의 광촉매를 금속유기구조체에 고정함으로써 높은 안정성을 유지하도록 하고, 플라즈몬 현상을 이용하여 고효율의 광반응성 또한 가지도록 한 것이다.

연구팀은 다양한 기능성 및 촉매적 성질을 가지는 분자형태의 광촉매와 이를 최적화시킬 수 있는 구조를 가진 금속유기구조체 그리고 플라즈모닉 나노입자의 조합들을 통해 물 분해, 수중 오염물 제거, 미세먼지 제거 및 휘발성유기화합물변환 등 다방면으로 쓰일 수 있는 플라즈모닉 광촉매를 개발하는데 널리 사용될 수 있을 것으로 내다보고 있다. 최 교수는 “이번에 개발한 플라즈모닉 광촉매는 지금까지 소개된 적 없는 신소재로서 향후 태양에너지를 이용한 연료 변환 및 재생산 산업에 커다란 파급효과를 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.