광운대 장민 교수팀, 친환경 광-압전 촉매 합성법 개발

왼쪽부터 Kien Tiek Wong 박사, Choong Choe Earn 연구교수, 최은하 교수, 장민 교수

광운대학교는 최근 환경공학과 장민 교수 연구팀(사진)이 플라즈마바이오센터 최은하 교수 연구팀과 함께 기존 촉매에 비해 월등히 높은 과산화수소(H2O2) 생성이 가능한 광-압전 촉매 제조 합성법을 개발했다고 12일 밝혔다.

H2O2는 높은 산화 가능성과 반응성으로 인해 수처리, 화학 제조 및 의료 등 다양한 분야에서 활용되는 산화제다. 최근에는 청정 에너지원으로서 압축된 H2 가스보다 운송 및 저장이 더 편리해 화석 연료의 잠재적인 대안으로 떠오르고 있다.


화석 연료에 전적으로 의존하지 않고 글로벌 수요를 충족하려면 수소 연료 전지(1.23V)에 필적하는 출력을 보유해야 한다. H2O2 연료 전지(1.09V)는 대체 연료원으로써 이와 같은 조건을 충족할 수 있다.

현재 H2O2의 공업적 생산에는 '안드라퀴논 산화'라는 방법만 사용되고 있다. 이는 일반적으로 높은 에너지가 필요하고 독성 부산물이 생성되며, 화학물질 및 값비싼 귀금속 촉매가 필요하다. 특히 과도한 CO2를 발생시켜 이를 대체할 환경 친화적인 공정이 필요하다.

광촉매는 광원의 조사를 통해 광유도 전하 운반체가 전자(electron)와 정공(positive hole)으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 각각 수중의 산소, 물과 반응해 다양한 라디칼을 발생시킨다. 압전 촉매의 경우 압력의 영향으로 전기적인 반응을 일으킨다.


연구진은 그들이 개발한 합성법으로 제조된 광-압전 촉매 BVO/BFO합성체가 광-압전 공정에서 변형된 밴드 전위를 통해 전자의 흐름을 조작, 계면 전하의 이동을 바꿔 H2O2의 O-O 결합 해리를 저해한다는 것을 발견했다. H2O2의 선택적 생성이 촉진된 것이다.

이는 기존의 연구에 비해 높은 H2O2 생산량을 보였으며, 광-압전 촉매를 활용한 보다 효율적인 H2O2의 생산 가능성을 시사했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 교육부, 과기정통부가 지원하는 '기초과학연구 지원사업'(No. 2020R1F1A1075839)의 일환으로 수행됐다.

연구결과는 환경공학 분야 1위 과학전문지인 'Applied Catalysis B: Environmental'(IF: 24.319, JCR rank: 1.85%) 2022년 10월 15일 자 온라인 판에 'Interfacial Schottky junctions modulated by photo-piezoelectric band bending to govern charge carrier migration for selective H2O2 generation'이라는 제목으로 게재될 예정이다.