한국기초과학지원연구원, 혁신적인 친환경 TiO₂ 광촉매 재료 개발

태양광 활용한 수처리 분야 응용으로 물정화 가능

이 서 윤 기자

광촉매란 빛을 받아 오염물질을 분해시키는 등 정화기능을 가진 촉매로, 친환경 TiO₂를 이용하면 오염된 물이 인간에게 실생활에서 무해한 수준까지 정화가 가능하다는 것을 이번 결과에서 밝혀냈다.

이번 연구결과는 기초지원연, 충남대의 공동연구 성과로 기초지원연은 세계 최초로 TiO₂를 나노튜브 구조체로 제작하고, 황을 도핑해 가시광에서의 광화학반응을 극대화했고, 이러한 과정에서 황이 도핑된 친환경 TiO₂는 기존의 상용 TiO₂ 재료와 비교해 약 2배의 효율을 증대시키는 결과를 얻어냈다.

기존의 광촉매는 자외선 영역만 이용하는 이른바 광 반응시 태양광에너지의 활용도가 4% 미만이었지만, 이번 고효율 가시광 촉매의 개발로 태양광의 46%를 차지하게 돼 광촉매 효율이 획기적으로 증대했다.

특히, 광촉매를 수처리 사업 등에 응용하려면 생체·인체·환경적으로 무해한 수준으로까지 물을 정화하는 것이 중요하며, 기존의 광촉매 연구는 오염물의 분해 실험까지만 실시해 TiO₂의 개념과 수처리의 가능성만 제시했다면, 이번에 개발된 ‘친환경 TiO₂ 광촉매 재료 제조기술’은 친환경 TiO₂을 이용해 오염된 물을 정화한 뒤, 그 물이 실제로 살아있는 세포에 안전한지를 추가적으로 검사했다. 이번 결과는 수질정화 사업의 실효성을 증명한 최초의 성과라는 데 의미가 있다.

그동안 TiO₂를 보다 효율적으로 사용하기 위한 연구가 지속됐으나 낮은 비표면적, 효율저하, 높은 비용 등이 문제가 돼왔고, 이번 성과로 가시광에 반응할 수 있도록 TiO₂에 황 도핑 처리를 하고, 표면적을 극대화하도록 나노구조체화해 기존 광촉매에서 사용하기 어려운 가시광영역의 빛을 잘 흡수할 수 있는 소재를 디자인하고 제어해, 수처리 응용뿐만 아니라 인간에게 무해한 수준의 물정화가 가능하게 됐다.

기초지원연 이주한 박사는 “태양광 활용이 가능한 수처리 분야에 응용해 인간에게 무해한 수준의 물정화가 가능함을 확인했다는데 의의가 있다”고 밝혔고, 충남대 이영석 교수는 “앞으로 수처리 공정에서 핵심적인 단가 감소 및 효율 증진을 위해 탄소 신소재와의 융합이 중요하다”고 밝혔다.

이번 연구는 기초지원연의 ‘차세대 나노융복합 in situ 분석시스템개발사업’의 지원을 받아 수행됐다.

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TiO₂ 나노튜브

TiO₂는 결정 입자 크기, 형태, 표면 상태 및 다른 성분의 혼합이 TiO₂의 성질과 기능에 영향을 준다. TiO₂의 반응성을 극대화하기 위한 방법으로 나노튜브가 그 대안으로 제시됐다. TiO₂ 나노튜브는 다른 TiO₂ 나노 입자의 형상보다 표면이 빛을 받아 생성된 광전자 또는 외부로부터 유입된 전자를 튜브를 통해 신속하게 전달시켜 전자와 정공의 재결합을 억제해 TiO₂의 반응효율을 극대화시키기 때문에 탁월한 광촉매 성능, 폭넓은 응용성 등의 우수한 물리-화학적 특성으로 인해서 최근 광촉매분야에서 각광받고 있다.

TiO₂와 황도핑(S-doping)

TiO₂은 환경 분야에서 가장 일반적으로 적용되는 광촉매이지만 3.2eV의 높은 밴드갭 에너지(Band Gap Energy)로 인해 자외선이 주어지는 조건 하에서만 적용될 수 있다는 단점이 있다. 자외선은 많은 에너지가 필요하기 때문에, 자외선을 필요로 하는 광촉매 분해는 고비용 처리일 수밖에 없다. 태양광 스펙트럼에서 자외선은 3~5% 밖에 차지하지 않으며, 이는 거의 45%를 차지하고 있는 가시광선과 비교해 매우 좁은 범위이다. 따라서 실제적인 응용을 위해서는 가시광선이 주어지는 조건에서도 오염물질을 효과적으로 분해할 수 있는 TiO₂ 광촉매의 개발이 상당히 중요하다.

수처리와 세포 독성 실험

TiO₂의 뛰어난 정수 처리특성과 오염물질 제거능력을 평가하기 위해서 Rhodamine B(Rho B)의 염료분해 실험을 실시했다. Rho B는 색깔을 띠는 화학적 염료로 광촉매의 활성을 이용한 오염물질의 처리 능력을 평가하기 위해서 사용되는 염료이다. 친환경 TiO₂를 이용해 Rho B가 가시광선영역에서 분해되는 정도를 확인하기 위해서 자외선과 가시광선에 조사해 광촉매 실험을 진행했다. 또한, 친환경 TiO₂를 통해서 정화된 물이 인간에 대한 잠재적 위해성이 없는지 세포수준에서 평가할 수 있도록 세 가지 세포 CHO-K1(중국 햄스터 난소 라인의 세포주), COS-7(원숭이 신장에서 유래한 세포주), HepG2(산화스트레스가 유도된 인체 간암세포주)에 대한 친환경 TiO₂로 정화된 물의 독성을 테스트해 인체에 무해함을 증명했다.

SOLAR TODAY 이 서 윤 기자 (st@infothe.com)

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