가시광에서 물을 분해하는 광촉매
질화갈륨-산화아연 고용체 개발
얼마 전 東京大學의 堂免一成 교수(대학원 공학계 연구과 화학시스템 공학전공)와 長岡기술과학대학의 井上泰宣 교수(공학부 화학계)의 연구팀은 질화갈륨과 산화아연으로 된 고용체가 500㎚부근까지의 가시광을 흡수, 물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 안정적인 광촉매 재료라는 것을 최초로 밝혀냈다.
과거 30년에 걸쳐서 물을 분해하여 수소를 제조하기 위한 광촉매 재료에 관한 연구는 산화물을 중심으로 많이 행해져 왔다. 그러나 광촉매를 이용할 수 있는 산화물은 기본적으로 자외광만을 흡수하기 때문에 가시광을 이용할 수는 없다. 태양광의 파장분포는 가시광에서 적외광 영역이 대부분이며, 자외광은 아주 조금만이 포함되어 있다. 태양광을 유효하게 이용하려면 가시광(400㎚<파장<800㎚)을 이용할 필요가 있다. 따라서 이 연구팀에서는 가시광에서 물을 분해할 수 있는 재료를 개발하기 위해서 5년쯤 전부터 질소와 유황을 ‘구성원소’로 포함하는 재료의 탐색을 행해 왔다. 산화물인 산소를 질소와 유황으로 일부 또는 모두 치환하면 밴드갭을 축소하여 가시광을 흡수할 수 있게 된다. <BR>이러한 비산화물계 재료를 중심으로 탐색한 결과, 질화갈륨(GaN)과 산화아연(ZnO)의 고용체가 물을 분해할 수 있는 안정적인 광촉매 재료가 된다는 것을 처음으로 밝혀냈다. GaN이나 ZnO이나 모두 밴드갭이 크기 때문에 가시광을 흡수하기는 불가능하다. 그러나 GaN과 ZnO이 고용체를 형성하면 아래의 그림에 나타나 있듯이 500nm 부근까지의 가시광을 흡수할 수 있게 된다. 이 고용체를 산화루테늄의 나노입자로 수식하여 400nm 이상의 가시광을 조사한 결과, 물을 수소와 산소로 분해하는데 성공했다. 이것은 가시광에 응답할 수 있는 작은 핸드갭을 가진 재료로 물을 분해한 최초의 사례가 된다. 현재 이런 새로운 광촉매 재료를 베이스로 하여 보다 효율적으로 장파장까지 사용할 수 있는 물 분해 광촉매의 개발을 진행하고 있다. (CJ)

폴리아크릴산 겔 빛이 닿자 ‘귀’ 가 생겨
산화티탄의 광촉매 반응 이용   
빛이 닿자 ‘귀’가 생겼다. 쥐 얼굴을 본뜬 겔에 빛을 조사하여 귀처럼 생긴 팽창을 만드는 실험에 東京大學의 立間徹 조교수, 古田主岳 조교, 宮崎太地 대학원생 등이 성공했다. 겔 속에 점재하는 산화티탄의 광촉매 반응을 이용하여 자외광이 비친 부분만 팽창하는 구조로, 조사를 멈추면 원래의 형태로 돌아간다. 빛의 강약으로 팽창 정도를 제어하면 임의의 모양을 만들 수 있다는 점에서 다시 그릴 수 있는 입체적인 그림이나 지도, 그탬 등에 대한 응용을 기대할 수 있을 것 같다.
폴리아크릴산 겔은 직쇄상(直鎖狀)의 폴리머로 구성되었고, 겔 속에는 직경 수 십 나노-수백 나노미터의 산화티탄 알맹이와 구리이온이 점재해 있다. 자외광이 산화티탄에 흡수되면 구리이온은 전자를 얻어 구리로 바뀌며 산화티탄 주변에 들러붙는다.
구리이온은 폴리머를 한데 묶는 역할을 하는데, 구리로 바뀌면 그 기능을 잃는다. 게다가 폴리머끼리가 마이너스 전하에 의해 서로 반발하는데다가 겔이 물을 잘 흡수하는 상태가 되므로 겔이 팽창한다. 반대로 자외광 조사를 멈추면 구리가 구리이온으로 돌아가 폴리머끼리의 연결이 강해진다. 흡수한 물이 배출되어 거의 원래대로의 모양이 된다.
실험에서는 겔을 물 속에 넣었다. 겔의 두 점에 직경 1밀리미터의 자외광을 6시간 계속 쏜 결과, 폭 2밀리-3밀리미터 정도로 두 개가 둥글게 팽창했다. 그 후, 자외광 조사를 멈추고 5시간 방치하자, 팽창이 서서히 줄어들어 원래의 형태가 되었다. 古田조교는 ‘빛을 쏘는 방법에 따라서 별 모양으로도 만들 수 있을 것이다. 단, 팽창하면 둥근 모양을 띠기 때문에 해성처럼 보일지도 모른다’고 말한다. (NK)