▲ (왼쪽부터) 문준환 석박사통합과정(제1저자), 오은수 석사과정(제1저자), 김영근 교수(교신저자)

 

우리 학회 종신회원인 고려대학교 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 간단한 전기화학 공정으로 금-인산철 요크-쉘 나노코일을 제조하고, 오염물질의 높은 광분해 효과를 확인했다.

 

연구결과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 표지 논문(Front cover)로 선정됐다.

연구팀은 효율적인 빛의 흡수와 3차원 구조에서 넓은 표면적을 가질 수 있는 다중 요크-쉘 나노코일 형태에 집중했다. 연구팀은 코발트-철 나노코일을 활용하여, 전기화학적 조절로 금 나노입자(Au)가 내재된 인산철(FePO4) 다중 요크-쉘 나노코일을 원스텝 공정으로 제작하는 데 성공했다. 이 나노구조에 빛을 쪼여 오염표지물질인 메틸렌블루를 50분내에 광분해할 수 있었다.

 

태양에너지를 이용하는 광촉매 분야는 기후변화에 대응할 수 있는 친환경 에너지 전환 반응으로, 다가오고 있는 미래 경제에서 필수적인 공정으로 평가받고 있다. 광촉매의 성능은 효율적인 빛의 흡수, 전자-정공의 분리와 수송, 넓은 표면적에 의한 반응이 가능하게 하는 설계에 크게 의존하여 내부가 빈 나노물질들이 개발되었다. 하지만, 제한적인 소재와 복잡한 제조 방법으로 인해 성능 향상과 제조 방법에서 사용되는 추가적인 에너지 사용을 피하기 위한 새로운 돌파구를 찾기 위한 연구가 꾸준히 진행돼왔다.

 

연구진은 전기도금법으로 이종 코발트-철 나노코일을 합성한 후, 전기화학적으로 디자인 된 용액 내에서 이종 금속 물질의 서로 다른 거동 차이를 이용하여 원스텝 과정(one-step process)으로 다중 요크-쉘 나노코일을 포함한 8종의 나노코일을 합성했다. 합성 과정은 70℃ 이하의 온도에서 약 20분 내외가 소요되었으며, 이는 기존의 요크-쉘 합성 방법에 비해 사용되는 에너지와 시간을 크게 감소시켰다.

 

김영근 교수는 “전기화학적으로 실험 조건을 디자인하여 목표한 구조의 나노소재를 간단하게 제작할 수 있다는 점에서 학문적.기술적 의의가 있다”라며 “이전에 없는 새로운 구조의 요크-쉘 나노코일은 뛰어난 광 흡수 능력, 넓은 표면적과 활성자리 제어가 필요한 에너지·환경 및 바이오 분야로의 응용이 가능할 것”이라고 전했다.

 

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업 지원으로 수행됐다.

■ 용어 설명
1. 다중요크-쉘 나노코일
  ○ 속이 빈 튜브형 나노코일 내부에 여러 개의 금속 나노입자가 존재하는 형태를 의미함. 일련의 동심원을 공간적으로 연결하여 형성된 나노스케일의 코일 형태는 기존에 보고되지 않았던 새로운 물리·화학적 특성을 보여 관련 연구가 활발히 진행되고 있음. 그 중, 다중요크-쉘 나노코일은 구조적·방법론적 어려움으로 인해 제작과 그 응용분야가 지금까지 한정되었음.

2. 활성 자리
  ○ 촉매가 반응물과 충돌하여 반응을 촉진하는 실질적인 부위를 의미함. 촉매와 반응물의 충돌이 활발할수록 활성에너지가 낮아져 반응속도가 빨라짐.

3. 산화·환원반응
  ○ 산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 잃는 것을 말함.
  ○ 환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 얻는 것을 말함.
  ○ 산화와 환원은 서로 반대 작용으로, 한쪽 물질에서 산화가 일어나면 반대쪽에서는 환원이 일어남.

4. 갈바닉 교환 반응
  ○ 특정 조건에서 전기화학 포텐셜 차이에 의해 자발적으로 발생하는 산화·환원 반응.

5. 커켄달 효과
  ○ 두 종류 이상의 물질이 하나의 계면을 두고 상호 확산할 때, 물질 간 확산 속도 차이에 의해서 커켄달 공극이 생기는 현상. 확산 속도가 빠른 쪽에서 커켄달 공극이 생성되며, 반응이 진행될수록 중공화(Hollow process) 반응이 일어남.

6. 광촉매
  ○ 광을 에너지로 이용하여 특정 광화학반응을 촉진시키는 촉매로서, 광을 받으면 활성을 띠고 그렇지 않을 경우에는 비활성인 물질임.

 

■ 그림 설명

        
(그림1) Advanced Materials 표지 논문(Front Cover) 이미지
물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용하여 합성한 다양한 종류의 나노구조체와 다중요크-쉘 나노코일의 물분해 광촉매 효과를 표현

 

(그림2) 다중요크-쉘 나노코일의 합성 메커니즘
물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용한 합성 메커니즘 모식도와 반응 단계에 따른 투과전자현미경 이미지. 주형으로 사용된 합금 나노코일의 두 금속이 서로 다른 기능을 하며 다중요크-쉘 구조를 형성함. 한 금속은 밖으로 빠져나가며 전기장을 생성하고, 다른 금속은 고체/액체 계면을 생성하는 역할을 함. 외부 수용액에 있는 금속 이온은 생성된 전기장에 의해 나노코일 내부로 확산되며 환원 반응을 거쳐 금속 나노입자를 생성함.

(그림3) 다중요크-쉘 나노코일의 유기물 광분해 촉매 특성
(a) 다양한 형태와 이종접합을 가진 나노코일 기반 나노복합체를 이용한 메틸렌블루(MB) 광분해 효율 비교. Au-FePO4 다중요크-쉘 나노코일에서 촉매 효율이 가장 향상됨을 보여줌. (b) 형태에 따른 촉매의 전기화학적 활성 표면적(ECSA)과 MB 제거 상수의 그래프 (c) Au-FePO4 다중요크-쉘 나노코일과 Pt-FePO4 다중요크-쉘 나노코일의 내부 입자에 따른 광분해 반응 메커니즘 모식도

 

■ 논문 정보

* 제목 : One-Step Electrochemical Synthesis of Multiyolk-Shell Nanocoils for Exceptional Photocatalytic Performance
* 저자정보 : 김영근 (교수) (교신저자/고려대학교), 문준환 (제1저자, 고려대학교), 오은수 (제1저자, 고려대학교), 구명석 (공동저자, 고려대학교), 전유상 박사 (공동저자, 고려대학교), 장영준 (공동저자, 고려대학교), 부홍은 (공동저자, 고려대학교), 고민준 박사 (공동저자, 고려대학교)

* URL: https://doi.org/10.1002/adma.202312214

 

-출처: 고대뉴스