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신소재공학부 민유호 교수팀, 수질정화용 고성능·친환경 단결정기반 이종구조 촉매 개발

  • 2024-01-16 14:29
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국내 연구진이 오염원 제거를 통한 수질정화에 탁월한 성능을 지닌 단결정 기반 이종구조의 광압전 촉매 개발에 성공했다.

경북대 신소재공학부 민유호 교수팀은 한국생산기술연구원 문건대 수석연구원팀과 공동연구를 통해 비납계 친환경 압전재료인 ‘포타슘 소듐 나이오베이트(이하 KNN)’ 단결정 압전 마이크로큐브에 ‘산화구리’ 나노입자가 균일하게 부착된 이종구조 촉매소재를 개발했다.

압전재료의 경우 단결정 소재가 다결정 소재 대비 우수한 압전성능을 가지지만, 높은 제조 비용과 복잡한 공정으로 단결정을 압전촉매로 활용하기에는 한계가 있다.

이번 연구에 앞서 민유호 교수팀은 저렴한 공정인 용융염법(molten-salt)을 활용해 친환경 압전재료인 KNN 단결정 마이크로큐브 제조 기술을 개발한 바 있다.

선행 연구 결과를 기반으로 민 교수팀은 KNN 단결정 마이크로큐브 표면에 산화구리 나노입자를 흡착해 P-N 이종접합구조를 형성시켰다. 태양광과 기계적 진동이 주어진 환경에서 KNN 단결정으로부터 형성되는 우수한 압전 전위와 더불어 P-N 이종구조를 통해 유도 전하의 재결합을 억제하고 이들의 이동을 효과적으로 제어해 광압전 촉매 특성이 향상되는 것을 실험적으로 입증했다.

또한, 민 교수팀은 컴퓨터 시뮬레이션으로 단결정 마이크로큐브 내부에서 형성되는 압전 전위를 계산해 실험 결과를 이론적으로 검증했다. 개발된 산화구리가 부착된 이종구조촉매는 로다민 B(독성을 지닌 염료)로 오염된 물을 정화하는 촉매 성능이 단결정 마이크로큐브 대비 2배 이상 향상됐다. KNN 다결정 분말 대비로는 5배가 향상된 것을 확인했다. 또한, 이종구조촉매를 활용해 기계적 진동과 빛에너지를 동시에 주입하면, 기계적 진동만 적용한 경우보다 1.6배, 빛 에너지만 적용한 경우보다는 48배 촉매 성능 향상을 보였다.

민유호 교수는 “개발된 단결정 기반 광압전 촉매 소재는 오염원 제거 및 수질 개선에 탁월한 성능이 있음을 확인했다. 이번 연구 결과는 고성능 광압전 촉매소재 구현에 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의의를 가진다. 또한, 수소 생산과 질소 고정 등 다양한 분야에서 활용 가능성도 기대된다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신선도연구센터사업(경북대 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터)과 기본연구, 한국생산기술연구원 내부연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료·에너지 분야 저명 학술지인 스몰(Small) 12월호 표지논문으로 발표됐다. 제1저자는 경북대 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터 박선화 박사, 한국생산기술연구원 임은미 박사이며, 교신저자는 민유호 교수 및 문건대 수석연구원이다. 연구팀은 개발한 촉매소재의 활용 분야 확대를 위한 후속 연구를 진행 중이다.

*압전촉매(piezocatalysis): 압전효과는 재료에 기계적인 힘으로 변형이 가해지면 전기적인 분극을 유도하여 전기적인 변화가 발생하는 현상을 의미하며, 압전촉매는 이러한 압전효과에 따른 압전 전위를 이용하여 촉매 표면에서 주변물질을 산화/환원시킬 수 있는 소재를 의미함.
*광압전촉매(photo-piezocatalysis): 기계적 에너지와 빛에너지를 동시에 활용하여 소재 내부에 발생한 유도 전하운반체인 전자(electron)과 정공(hole)을 표면으로 이동시켜 주변물질을 산화/환원시킬 수 있는 소재를 의미함.

<그림 좌측부터 경북대 민유호 교수, 경북대 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터 박선화 박사, 한국생산기술연구원 문건대 수석연구원>