물 흐르는 힘으로 오염물 제거하는 압전 나노촉매 개발

- 버려지는 에너지 이용하는 촉매 소재기술 확보
- 환경 오염물질의 반영구·저비용 제거 활용 기대

국내 연구진이 기계적 에너지를 전기화학적 에너지로 변환하는 압전 촉매¹입자에 산소 결함(oxygen vacancy)²을 형성시켜 우리 주변에서 발생하는 자연적 또는 인위적인 기계적 에너지를 이용, 공기나 물에 있는 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 고성능 압전 촉매를 개발했다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 이영인 서울과학기술대학교 신소재공학과 교수 연구팀이 환경정화용 압전촉매로 표면에 산소 결함이 형성된 ‘타이타늄산바륨(barium titanate, BaTiO3)³ 나노입자 소재’를 개발했다고 3월 25일 밝혔다.
  압전 촉매는 주변에 버려지는 다양한 기계적 에너지를 받아들여 전기화학적 에너지로 변환하는 장점이 있으나, 물 흐름과 같이 적은 에너지 수준에서는 낮은 촉매 특성을 나타내어 초음파와 같이 높은 에너지를 일부러 가해야 한다는 단점이 있었다. 이에, 연구팀은 제어된 양의 산소 결함을 도입한 표면과 우수한 결정성의 중심부로 구성된 ‘검은색 타이타늄산바륨 나노 입자’를 설계, 합성하였다. 나노 입자 중심부의 우수한 결정성은 촉매 작용에 참여하는 전자에 높은 에너지를 부여하며, 표면에 형성된 산소 결함은 촉매 반응에 참여하는 전자의 농도를 크게 증가시킨다.
  개발한 검은색 타이타늄산바륨 나노 입자는 물 흐름에 의해 발생하는 적은 에너지만으로도 압전 촉매 반응을 유도하여 비스페놀 A(내분비 교란물질)와 로다민 B(독성을 가진 염료) 등으로 오염된 물을 성공적으로 정화하였다. 기존 제품인 타이타늄산바륨 나노 입자는 흰색을 나타내며, 이는 표면에 산소 결함이 형성되지 않음을 뜻하기도 한다. 이번에 개발한 소재는 흰색 타이타늄산바륨 나노 입자와 비교하여 오염물질 제거 성능이 약 4.3배 증가하였고, 정화 과정을 반복하여도 제거 성능을 유지하여 유체의 흐름과 같이 낮은 에너지로 작동하는 압전 촉매 중 최고 수준이라고 연구팀은 설명했다.
  이번 성과는 압전 촉매 작용을 위한 에너지원이 초음파에 국한된 기존 한계를 극복할 수 있는 기술이며, 파도나 물의 흐름, 바람, 진동 및 음파 등의 다양한 기계적 에너지를 수확하여 대기 및 수자원 정화 기술 발전에 이바지할 것으로 전망된다. 다만, 압전 촉매 자체가 또 다른 오염물질로 작용 할 수 있기 때문에, 실용화를 위해서는 활용된 입자를 제거 또는 지지체에 고정하는 기술 등에 관한 지속적인 연구가 필요하다.
  이번 연구에서는 압전 산화물 내에 적절한 수준의 산소 공공을 형성하여 전자 농도를 증가시키는 것이 압전촉매 효율을 개선하는 데 긍정적인 역할을 한다는 것을 입증하였고, 물의 흐름만으로 환경 유해 물질을 제거할 수 있는 소재 기술을 확보하여 압전촉매 기술의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
  이번 연구를 통해 압전촉매 내 산소 공공의 농도를 제어할 수 있는 기술을 확보하였고, 향상된 압전촉매의 성능을 확인하였다. 따라서 파도/물 흐름, 바람, 진동 및 음파 등의 다양한 기계적 에너지를 이용하여 환경 정화 뿐만 아니라 수소 생산 및 CO2 저감을 위한 압전촉매로도 적용이 가능할 것으로 기대된다.
  교육부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지/소재 분야 국제학술지‘나노 에너지(Nano Energy)’에 1월 29일 온라인 게재됐다.

<그림 1> 물의 흐름에 의해 오염된 물을 정화하는 압전촉매 기술의 개념도.
우리 주변에 버려지는 기계적 에너지(유체의 흐름)로 압전촉매 내부에 압전 전위를 형성하여 전자의 에너지를 높이고, 이들을 촉매 표면으로 이동해 전기화학적 산화-환원 반응을 통해 오염된 물을 정화하는 개념도이다. (그림제공 : 서울과학기술대학교 이영인 교수)

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2022년 5월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>

  _?xml_:namespace prefix = "o" ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />