기계/재료

중국과기대 광촉매 복합소재 디자인 성과

발행일 : 2014 / 09 / 05

최근 중국과학기술대학 슝위제(熊宇杰) 교수 연구팀은 쟝쥔(江俊) 교수, 장췬(張群) 부교수와 협력연구를 통해 광촉매 복합재료 디자인에서 성과를 올렸다. 관련 연구성과는 2편의 학술논문의 형태로 7월 23일에 출판된 “Advanced Materials” 앞표지 뒷면과 뒷표지에 각각 발표되었다.

특히 기능성 소재 개발과 응용에 있어서 단일 재료체계로서는 성능의 한계 때문에 응용 수요를 충족시키기 힘든 상황이다. 특정 재료는 일반적으로 독특한 성능과 우위를 지니기 때문에 재료의 복합은 단일재료의 성능 한계를 극복하는 효과적인 경로이다. 또한 복합소자간의 협동역할을 통해 각자의 성능(즉 1+1>2)을 강화시킬 수 있기를 기대한다.

구체적으로 광촉매체계의 경우, 복합재료에서 서로 다른 구성소자는 전하를 생성 또는 분리시키거나 활성분자를 흡착하는 등의 다양한 중요한 역할을 한다. 실제로 복합재료의 성능은 대부분 구성된 소자 하나하나의 성능을 중첩시켜 실현하기는 힘들다. 그 결정적인 이유는 복합재료 체계 계면의 구조 제어가 매우 힘들기 때문에 전하의 계면상의 복합과 낭비를 유발한다.

위 문제점을 극복하기 위해 연구팀은 일련의 계면 제어성 복합구조체계를 디자인하였다. 예를 들면 최초로 반도체-금속-그래핀 적층구조를 처음으로 고안해내어 그 단결정 계면에서 일정정도로 계면상의 전자-홀 복합 문제를 해결하였다. 이리하여 반도체와 금속 사이의 쇼트키 장벽(schottky barrier)을 높이는 방법으로 반도체 광생성전자-홀 분리 효율을 높였고 이에 따라 광촉매 수소생성에서 뚜렷한 성능개선을 나타내었다.

다른 한편으로 특정 기상 광촉매반응에서 기체분자를 동시에 포착하기 힘든 문제점을 고려해 일종의 금속 유기 프레임(MOF)-반도체 쉐일구조를 디자인하여 반도체 중의 광생성전자를 MOF 내핵에 효과적으로 전송하였고 장시간의 여기 수명을 갖게 하였다. 그리고 MOF 내핵에 분포된 이산화탄소분자는 광생성분자와 결합한 후 메탄으로 전환되기 때문에 이산화탄소의 연료반응의 활성과 선택성을 높였다.

연구과정에서 초고속 광스펙트럼과 동력학 특징 및 이론모의 결과, 디자인한 복합재료체계의 광촉매 우월성을 입증하였고 미시적 작용 메커니즘을 밝혔다.

이 연구는 복합구조재료의 광생성 전하행위와 메커니즘에 대한 인식을 심화하였고 복합구조 광촉매에 대한 설계에 대해서도 중요한 추진역할을 하였다.