연구성과

화학 이인수 교수팀, 빛으로 화학반응 조절하는 ‘코어@쉘’ 촉매 개발

2021-08-04 311

[원자두께의 금속 나노박막 코팅으로 광촉매 성능·내구성 ↑]

POSTECH 연구팀이 원자두께의 금속박막을 지니는 ‘코어(core)@쉘(shell)‘ 나노결정을 이용해 플라즈몬 광촉매의 성능을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다.

쉘로 둘러싸인 코어의 구조를 가지는 코어@쉘 나노결정들은, 코어와 쉘을 이루는 서로 다른 물질들의 시너지 효과를 활용하여 촉매, 전자, 디스플레이 분야 등에 응용될 수 있다. 특히, 빛을 받으면 표면이 활성화되는 광학 성질을 지니는 플라즈몬 나노입자(금, 은)로 코어의 표면을 촉매로서 높은 활성을 가지는 금속(백금, 팔라듐, 로듐, 루비듐) 쉘로 코팅한다면, 광에너지를 화학에너지로 변환하는 광-촉매 하이브리드 시스템의 개발을 기대할 수 있다.

효율적인 광-촉매 하이브리드 시스템을 형성하기 위해서는, 플라즈몬 코어에 매우 얇은 금속 쉘을 코팅하는 기술이 필요하다. 하지만 지금까지 알려진 방법을 이용하면 두꺼운 금속 쉘이 형성되거나 코어 물질에 변형·손상을 일으키게 되어서, 코어 물질의 플라즈몬 특성을 크게 감소되는 문제를 지니고 있다.

화학과 이인수 교수 연구팀에서는 속 빈 실리카 나노입자의 내부 공간에 플라즈몬 나노결정을 넣음으로써, 기존의 방법에서 두꺼운 쉘 성장을 일으켰던 요소들을 제거하고, 동시에 플라즈몬 나노입자들이 용액 속에서 개별적으로 분리될 수 있는 나노공간한정 시스템을 만들었다. 여기에 광원을 조사(照射)하여 플라즈몬 나노결정의 표면을 단원자 두께의 매우 얇고 균일한 금속 박막으로 코팅하는 데에 성공했다. 마치 캡슐 안에 들어있는 알약의 표면을 얇은 막으로 코팅하는 것과 유사하게 표현할 수 있다.

이렇게 얇게 코팅된 금속 박막은 코어 물질의 광학적 특성에 영향을 미치지 않았으며, 쉘의 촉매 성능과 코어 물질의 플라즈몬 특성이 효과적으로 결합된 하이브리드 광촉매 물질을 합성할 수 있었다. 특히, 플라즈몬 금 나노막대에 백금 박막을 얇게 코팅시킨 금@백금 하이브리드 나노결정은, 근적외선을 에너지원으로 사용하여 유기분자를 변환하는 광촉매 반응에서 매우 높은 에너지 전환율과 빠른 촉매반응 속도를 나타냈으며, 여러번에 걸쳐 반복된 사용 후에도, 촉매의 활성에는 손실이 없었다. 뿐만 아니라 이 방법을 이용하면, 다른 표면 곡률을 가지는 다양한 플라즈몬 나노입자 표면을 각기 다른 광원을 이용하여 독립적으로 코팅하고 활성화할 수 있어서, 혼합된 촉매물질들 중에서 특정 촉매의 활성을 선택적으로 원격제어하는 것이 가능하다.

연구를 주도한 이인수 교수는 “이번 연구에서 개발한 합성방법으로 다양한 형태의 플라즈몬 나노입자 표면에 촉매활성 금속들을 원자단위로 얇게 코팅할 수 있었다”며 “나노입자의 플라즈몬 특성이 잘 보존된 하이브리드 시스템은 금속 쉘과의 시너지를 통해 지속 가능한 에너지 변환, 생명 공학, 생물 의학 분야 등 다양한 분야에서 고효율 광촉매로 사용될 수 있을 것이다”고 기대감을 밝혔다.

화학과 이인수 교수, 아미트 쿠마(Amit Kumar) 연구교수, 박사과정 아누밥 아차야(Anubhab Acharya)씨 연구팀이 주도하고 POSTECH 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, UNIST 조윤경 교수, 성균관대 오상호 교수가 공동연구원으로 참여한 이 연구는, 연구팀에서 개발하고 있는 고유한 ’나노공간한정 반응(NCCR)’을 바탕으로 연구된 결과로 세포의 기능을 인공적으로 조절하는 기술로도 발전할 수 있을 것으로 기대된다.

화학 분야 세계적 권위지인 미국화학회지(J. Am. Chem. Soc.) 통해 발표된 이 연구성과는 다양한 활용 가능성에서 관심을 모아 표지논문으로도 소개됐다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업, 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행됐다.