□ 기초과학연구원(원장 오세정, IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 그룹리더 박정영 연구진(KAIST EEWS대학원 교수)은 KIST 김상훈 박사와의 공동연구를 통해 빛에 노출되면 촉매제의 역할을 하는 광촉매인 이산화 티타늄의 나노구조화 및 질소 도핑을 통해 인공광합성의 효율을 증대시키는 원리를 발견함으로써 에너지 저장 및 전환 등 화학공학 분야와 소재 및 바이오 분야의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

○ 최근 지구 온난화와 화석자원의 고갈, 지구 환경의 보존을 위해 재생가능 에너지기술의 핵심기술 확보가 급격하게 요구됨에 따라 해당 분야의 연구가 전 세계적으로 치열하게 이루어지고 있는 가운데, 이러한 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 꿈의 기술로 태양광 에너지를 연료로 축적하는 기술인 인공광합성이 점차 주목 받고 있으며, 가시광선과 물을 이용해 연료로 사용가능한 수소를 제조해 내는 기술이 대표적이라 할 수 있다.

○ 연구진은 이산화티타늄을 소위 연탄 모양과 같이 계층이 정렬된 계층적 다공성을 지닌 구조로 제작하여 구조적인 특성을 바꾼 다음 질소를 투입함으로써 전기적인 특성을 바꾸었다. 이를 통해 이산화 티타늄의 인공광합성 효율을 개선함으로써 빛을 이용해 인공광합성이 보다 원활히 이루어 질 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이렇게 물질이 계층성을 지니면서 정렬된 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 약 2배, 질소 도핑을 한 경우는 도핑이 되지 않았을 때와 비교해 효율을 약 30% 증대시키는 결과를 얻었다고 연구진은 밝혔다.

○ 또한 연구진은 지금까지의 관련 연구들이 이산화티타늄을 질소 도핑하거나 다공성 물질로 만드는 부분만이 보고되었으나 이번 연구는 세계 최초로 질소 도핑과 계층적 다공성을 모두 지니고 있는 물질을 개발했다는 점에서 큰 의미를 지닌다고 밝혔다.

○ 계층적 다공성 신소재를 구현한 이번 연구성과는 어드밴스드 머터리얼스 인터페이스 (Advanced Materials Interfaces) 창간호 메인 표지논문으로 선정됐다.

* 논문 제목 : 계층적 다공성을 가지고 질소로 도핑된 금-이산화티타늄 나노구조물의 제작과 이를 이용한 인공광합성 중의 수소발생 효율 향상 (Enhanced H2 Generation of Au-Loaded, Nitrogen-Doped TiO2 Hierarchical Nanostructures under Visible Light), 제1저자 : KAIST 부룬다바나 나익(Brundabana Naik) 박사후 연구원, 교신저자 : 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 그룹리더

○ 이번 성과는 이산화티타늄의 나노구조화를 통해 기존 광촉매의 특성을 극대화함으로써 이전보다 훨씬 단축된 시간 안에 나노소재의 형태가 스스로 형성될 수 있게 하는 제어기술의 새로운 지평을 열었으며 에너지 저장 및 전환 등의 화학공학 분야와 소재 및 바이오 분야 발전에 중요한 기술적 기반을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 이번 연구는 3차원 구조 제어 뿐 만 아니라 기공의 크기 조절, 나아가 질소도핑을 통한 전기적인 특성의 제어를 통해, 맞춤형 구조와 특성을 가지는 광촉매 소재를 용도와 목적에 맞게 사용할 수 있는 길을 열었다는데 의미가 있다.