태양광 기반 이산화탄소 광전환 고효율 나노촉매

임동권 교수팀, Nano Letters에 논문 게재

고려대 KU-KIST 융합대학원 임동권 교수 연구팀은 부산대학교 화학과 임만호 교수 연구팀과 함께, 가시광선 (태양광)을 활용하여 이산화탄소의 탄화수소 광전환 기술에 적용 가능한 고효율 나노촉매를 개발했다.
*이산화탄소 전환기술 : 화석 연료의 사용으로 대기중에 존재하는 이산화탄소는 대표적인 온실가스이기 때문에 이산화탄소의 저장기술, 전환기술등이 활발하게 연구되고 있음. 태양광을 이용한 이산화탄소의 탄화수소 형태로의 전환은, 친환경 에너지원을 이용하여 환경문제 해결에 적용 가능한 유망한 이산화탄소 저감 기술이다.   

이번 연구결과는 나노기술 분야의 세계적인 저명 학술지인 Nano Letters에 2월 11일자에 온라인 판 논문으로 게재됐다. (논문명 : Ultrafast and Efficient Transport of Hot Plasmonic Electrons by Graphene for Pt Free, Highly Efficient Visible-Light Responsive Photocatalyst)

연구팀은 기존에 알려진 반도체 촉매 또는 고가의 백금, 팔라듐등의 광촉매가 아닌, 가시광선 영역의 뛰어난 빛 흡수능을 가진 수용액에 분산된 금 나노입자를 사용했다. 양이온성 표면 전하를 가진 플라즈몬 금 나노입자에 나노크기의 산화그래핀을 코팅시킨 다음, 화학적으로 환원시켜 플라즈몬-그래핀 혼성 나노구조를 합성했다. 이산화탄소를 포화시킨 수용액에 가시광선 영역의 빛을 조사한 경우 포믹산이 90% 이상의 높은 순도로 1.5%이상의 양자수득률로 합성이 될 수 있음을 실험적으로 증명한 것이다.

플라즈몬 나노입자에 형성된 hot-electron은 높은 에너지를 가진 전자이지만, 반감기가 매우 짧아(< 100 fs) 효율적인 광화학 반응을 유도하기는 힘든 단점이 있다. 본 연구팀은 그래핀의 뛰어난 전자 수용 특성과 전달 특성을 활용하여 hot-electron의 외부 전달효율을 8-9배 이상 개선시킴으로서, hot-electron의 짧은 반감기를 획기적으로 개선 가능함을 실험적인 방법으로, 또한 시분해 분광학적 방법 (Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy)으로도 증명했다.   

*펨토초 분광학 : 가시광선 영역의 극히 짧은 (펨토초, 10-15) 펄스 레이저 (가시광선영역)를 플라즈몬 나노입자에 가하는 경우, 플라즈몬 나노입자 표면에 형성된 hot-electron이 형성된다. 형성된 hot-electron에 의해 변화된 주변 물질의 분광학적 신호를 변화를 연구한다.     

이번 연구를 통해, 플라즈모닉-그래핀 혼성 나노구조는 태양광 물 분해를 통해친환경 에너지원인 수소의 생성, 나아가 생성된 수소를 이용한 이산화탄소의 고효율 전환기술에 적용 가능함을 밝혔다.  

임동권 교수는 “플라즈모닉 Hot-electron은 태양광에 풍부한 가시광선 영역의 빛을 활용하는 기술에 해당하므로 마래 에너지문제 및 환경 문제를 해결하는데 매우 유망한 새로운 광화학 촉매로서 개발 가능성이 높다”고 의의를 밝혔다.

커뮤니케이션팀 남상헌(kize@korea.ac.kr)