국내 연구진이 항생제 오염을 줄이고, 친환경 에너지를 얻을 수 있는 촉매 기술을 개발했다. 차세대 촉매 기술로 주목 받고 있으나 성능 한계로 상용화에는 이르지 못한 광촉매의 활용 분야가 더 넓어질 것으로 기대를 모은다.
유승화 전북대 양자시스템공학과 교수가 이끄는 연구진은 17일 하천의 오염물질을 제거하고 친환경 수소 생산 효율을 높일 '복합 광촉매' 개발에 성공했다고 밝혔다.
연구진은 이중층 수산화물(LDH)에 맥신을 공촉매로 활용해 광촉매의 성능을 끌어 올리는 데 성공했다. 이중층 수산화물은 두 층으로 나눠진 2차원(2D)의 나노 물질로 촉매 성능이 우수하고 에너지 저장, 약물 전달, 이산화탄소 포집을 비롯해 다양한 분야에 활용할 수 있는 재료다. 여기에 전기·열 전도성이 우수한 맥신을 공촉매로 활용해 촉매 기능을 개선했다.
광촉매는 빛 에너지를 이용해 화학 반응을 촉진하는 물질이다. 최근에는 수소가 친환경 에너지원으로 주목 받으면서 햇빛을 이용해 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 기술에서 주목 받고 있다. 강과 하천, 바다를 오염시키는 물질을 제거하는 데도 활용할 수 있다. 다만 아직 촉매의 성능이 떨어지는 문제로 상용화는 어려운 상황이다.
연구진은 새롭게 개발한 촉매를 활용해 높은 수준의 수소 생산이 가능하다는 것을 확인했다. 물 1g당 1시간에 약 458㎍(마이크로그램·1㎍은 100만분의 1g)의 수소를 얻었으며, 반복 사용에도 성능이 크게 떨어지지 않는 것으로 나타났다. 수중 오염물질 중 하나인 항생제 테트라사이클린 염산염의 분해율을 확인했을 때도 2시간 동안 약 92% 제거율을 보였다.
연구진은 이중층 수산화물 표면에 만들어진 나노 입자가 '쇼트키 배리어'를 통해 전하 수송이 활성화된 결과라고 분석했다. 맥신을 공촉매로 활용해 화학 반응을 쉽게 하는 활성점이 만들어진 것도 촉매 성능을 높이는 데 기여했다는 분석이다.
유 교수는 "이번에 개발한 복합 광촉매는 환경·에너지처럼 다양한 응용 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다"며 "상용화 기반을 마련하기 위해 다양한 형태로 만들 수 있는 연구를 이어갈 계획"이라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '컴퍼지트스 파트B: 엔지니어링'에 지난 1일 소개됐다.
참고자료
Composites Part B: Engineering, DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111416