KAIST, 산소 빈자리로 전자 수명 늘리는 광촉매 원리 규명

경희대-가톨릭대-포항가속기연구소 공동연구

태양광 수소 생산·오염물질 분해 고효율 광촉매 설계 기여

[대전=뉴시스] 펨토초 X-선으로 본 이산화티타늄에서의 산소 결함과 전하 수명 간 관계 규명 연구도. 깊은 트랩은 전자-정공의 빠른 재결합을 억제해 전하 수명을 약 2.5배 연장시킨다.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내연구진이 공동연구를 통해 태양광으로 화학반응을 일으키는 광촉매에서 산소가 빠진 자리가 전자를 더 오래 붙잡고 반응효율을 높이는 원리를 규명했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 화학과 김태규 교수팀이 경희대·가톨릭대·포항가속기연구소와 공동으로 이산화티타늄 내부의 원자배열과 전자의 움직임을 초고속으로 관찰해 산소결함이 전자의 수명을 늘리는 과정을 규명하고 고효율 광촉매 설계를 위한 근거를 확보했다고 25일 밝혔다.

이산화티타늄은 빛을 받아 화학반응을 촉진하는 대표적인 광촉매 소재다. 빛을 받으면 전자가 에너지를 얻고 전자가 떠난 자리에는 정공이 생겨 전자와 정공이 각각 화학반응에 활용되기 전에 다시 결합하면 에너지를 활용할 기회가 줄어든다. 이로 전자가 정공과 재결합하기 전에 반응에 참여토록 충분한 시간을 확보하는 것이 중요하다.

이번에 공동연구팀은 산소원자 일부가 빠져 푸른빛을 띠는 '블루 이산화티타늄'에 주목하고 포항가속기연구소의 4세대 엑스선 자유전자레이저를 활용해 빛을 받은 소재 내부의 변화를 관찰하고 광학 분석과 컴퓨터 계산을 결합해 일반 이산화티타늄과 비교했다.

비교 결과, 두 소재 모두 빛을 받은 전자가 약 1.3피코초 만에 에너지를 잃고 얕은 포획상태에 머물렀으나 블루 이산화티타늄에서는 산소 결함의 영향으로 전자가 더 깊고 안정적인 포획 상태로 이동하는 게 확인됐다. 이때 주변 원자 배열도 함께 변하는 것으로 나타났다.

또 전자가 깊은 포획 상태에 머물면서 전자와 정공의 재결합이 일반 이산화티타늄보다 약 2.5배 느려지는 것을 규명했다. 재결합 시간은 블루 이산화티타늄이 약 110나노초, 일반 이산화티타늄이 약 42나노초로 나타났다. 이는 빛으로 만들어진 전하가 더 오래 유지될 수 있음을 의미한다.

이어 이산화탄소 광환원 실험에선 블루 이산화티타늄을 활용했을 때 일산화탄소 생성 속도는 약 25%, 메테인 생성 속도는 약 47% 높아지는 것으로 확인됐다.

산소 결함의 양과 분포를 조절해 전하 수명 및 광촉매 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대되는 이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지(JACS)' 온라인 판에 지난달 17일 게재됐다.

논문에는 KAIST 화학과 우태균 박사과정생이 제1저자로, 김태규 KAIST 교수와 김태우 경희대 교수, 김중한 가톨릭대 교수, 이재혁 포항가속기연구소 박사가 공동 교신저자로 참여했다.

김태규 교수는 "이 연구는 소재 속 산소가 빠진 빈자리가 단순한 결함이 아니라 전자를 오래 유지하도록 돕는 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀낸 것"이라며 "소재의 미세한 구조를 조절해 빛 에너지를 더 효과적으로 활용하는 광촉매를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.


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