서울시립대·카이스트, 차세대 물 분해 촉매 기술 개발

'안테나-리액터' 구조 나노촉매 성능 규명

왼쪽부터 박정영 카이스트 교수 , 이효선 서울시립대 교수, 이효철 카이스트 교수. /서울시립대

서울시립대학교(서울시립대)는 신소재공학과 이효선 교수 연구팀이 카이스트 화학과 박정영 교수, 이효철 교수 연구팀과 태양광을 이용한 차세대 친환경 광전기화학 촉매 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

연구팀은 플라즈모닉 금속 핫전하 활용도를 극대화해 기존보다 태양광 물 분해 효율을 향상한 새로운 촉매 기술을 구현했다.

태양광 약 47%를 차지하는 가시광선 영역을 활용할 수 있는 플라즈모닉 금속은 차세대 친환경 물 분해 촉매로 주목받았다. 다만 태양광 흡수 과정에서 생성된 고에너지 전하(핫전하)가 빠르게 재결합해 반응 효율이 저하되는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구진은 금-팔라듐 '안테나-리액터' 구조 코어-쉘 나노입자를 제작했다. 팔라듐 쉘을 원자층 수준으로 정밀하게 제어하여 함량 변화에 따른 반응성을 체계적으로 비교했다.

아울러 연구팀은 초고속 레이저 분광 기술을 활용해 펨토초 단위 순간에 일어나는 핫전하 다이내믹스를 직접 포착했다. 분석 결과 금-팔라듐 나노입자의 팔라듐 쉘이 원자층 수준에서 더 넓게 피복 될수록 금 원자 핵에서 생성된 플라즈몬 유도 핫전자·핫정공 이동이 빨라져 핫전하 재결합으로 인한 손실은 줄고 반응 효율은 높아지는 핵심 메커니즘을 입증해 냈다.

서울시립대 관계자는 "이번 연구 결과는 플라즈모닉 안테나-리액터 구조를 원자층 단위에서 정밀하게 제어해 핫전하 다이내믹스를 조절하는 새로운 전략을 제시하고 그 작동 메커니즘을 규명함으로써 핫전하 손실을 최소화하는 차세대 태양광 기반 친환경 물 분해 광촉매 설계 방안을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다"고 설명했다.

이어 "이를 기반으로 향후 플라즈모닉 금속 기반 다양한 구조 최적화를 통해 고효율 광촉매를 개발하고 이를 청정 수소 생산·이산화탄소 전환 등 다양한 에너지·환경 분야 전반에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.