첨단바이오·소재융합전공[대학원]

탄소중립 시대 앞당길 차세대 수소 기술의 전환점 마련

빛의 키랄성 활용한 고효율 수소 생산 기술 <Advanced Materials> 게재

화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 세계 최초로 빛의 키랄성(chirality)을 이용해 수소 생산 효율을 최대 2배 이상 높일 수 있는 편광 선택적 광촉매 기술을 개발했다. 

이번 성과는 태양광 기반 수소 생산에서 오랫동안 한계로 지적돼 온 빛 흡수 효율 저하와 전하 손실 문제를 근본적으로 개선한 연구로 평가되며, 연구 결과는 세계적인 재료과학 분야 학술지 <Advanced Materials>(IF=26.8, 다학제 화학 분야 JCI 1.2%)에 1월 15일(목)자로 게재되었다.

태양광을 이용한 수소 생산은 물을 분해해 친환경 수소를 얻을 수 있는 차세대 기술이지만, 기존 광촉매 시스템은 태양광을 충분히 활용하지 못하고 생성된 전하가 빠르게 사라지는 문제가 있어 효율 향상에 어려움을 겪었다. 이에 김동하 교수 연구팀은 기존 광촉매가 활용하지 못하던 빛의 방향성 정보 ‘편광’을 반응 설계에 직접 도입해 전하 이동 경로를 능동적으로 조절하고 반응 효율을 높일 수 있는 새로운 광촉매 설계 원리를 제시했다. 

김동하 교수팀은 원편광을 이용한 광유도 성장(photo-deposition) 방식을 통해 오른쪽 편광에 반응하는 R-Au/C3N4와 왼쪽 편광에 반응하는 L-Au/C3N4 두 종류의 키랄 플라즈모닉 금 나노입자를 합성했다. 키랄성이란 왼손과 오른손처럼 서로 닮았지만 겹치지 않는 방향성을 의미하며, 이 방향성이 빛과 물질 사이에서 서로 맞을 때 에너지 전달과 반응 효율이 크게 높아진다. 개발된 촉매는 이러한 빛의 방향성을 촉매 구조에 ‘각인’시켜 빛과 물질의 상호작용을 촉매 설계 단계에서부터 제어할 수 있도록 한 것이 특징이다. 

원편광에 반응하는 키랄 광촉매 설계 개념도

연구팀이 이 촉매의 성능을 분석한 결과, 빛의 편광 방향이 촉매의 키랄성과 일치(chiral matching)할 경우 수소 발생량이 최대 2.10배 증가하는 뚜렷한 편광 선택성이 나타났다. 반면 비키랄 촉매에서는 이러한 선택성이 나타나지 않아, 키랄 구조가 반응 선택성 향상의 핵심 요소임이 실험적으로 입증됐다. 또한 시간 분해 발광 분석(TRPL)을 통해 전자–정공 재결합이 억제되어 전자 수명이 늘어나는 현상이 관찰되었으며, 원자 구조 분석(EXAFS)에서는 금(Au)과 산소(O) 결합이 강화되고 활성 부위가 새롭게 형성되는 등 촉매 안정성이 향상된 구조적 변화가 확인되었다. 

이번 연구는 빛의 방향성(handedness)이 전하 이동 경로와 촉매 구조 안정성까지 결정할 수 있음을 실험적으로 보여준 최초 사례로, 기존 광촉매로는 구현할 수 없었던 새로운 반응 조절 메커니즘을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 김동하 교수는 “이번 성과는 빛의 편광과 키랄 구조의 ‘정합(chiral matching)’이라는 새로운 설계 원리를 광촉매에 도입한 최초의 사례로, 태양광 기반 수소 생산의 전환점을 제시할 것”이라고 설명했다.

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