포스텍(총장 김무환)은 이인수 화학과 교수팀이 원자두께 금속박막을 지니는 '코어(core)@쉘(shell)' 나노결정을 이용해 플라즈몬 광촉매의 성능을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
쉘로 둘러싸인 코어 구조를 가지는 코어@쉘 나노결정들은 코어와 쉘을 이루는 서로 다른 물질의 시너지 효과를 활용하여 촉매, 전자, 디스플레이 분야 등에 응용될 수 있다. 특히, 빛을 받으면 표면이 활성화되는 광학 성질을 지니는 플라즈몬 나노입자(금, 은)로 코어 표면을 촉매로서 높은 활성을 가지는 금속(백금, 팔라듐, 로듐, 루비듐) 쉘로 코팅한다면, 광에너지를 화학에너지로 변환하는 광-촉매 하이브리드 시스템 개발을 기대할 수 있다.
연구팀은 속 빈 실리카 나노입자 내부 공간에 플라즈몬 나노결정을 넣음으로써, 기존 방법에서 두꺼운 쉘 성장을 일으켰던 요소를 제거하고, 동시에 플라즈몬 나노입자들이 용액 속에서 개별적으로 분리될 수 있는 나노공간한정 시스템을 만들었다. 여기에 광원을 조사해 플라즈몬 나노결정 표면을 단원자 두께의 매우 얇고 균일한 금속 박막으로 코팅하는 데에 성공했다.
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 나타냈다.
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 밝혔다.
화학 분야 세계적 권위지인 '미국화학회지(J. Am. Chem. Soc.)'를 통해 발표된 이 연구성과는 다양한 활용 가능성에서 관심을 모아 표지논문으로도 소개됐다. 한국연구재단 리더연구자지원사업, 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
