신소재공학과 기능성나노재료연구실(지도교수: 이영인) 소속 지명준 박사과정, 김정현, 류철희 석사과정이 국제적으로 권위가 높은 SCI급 저널, Nano Energy (IF: 17.881, JCR 상위 4.64%)에 2022년 1월 29일 논문을 게재하였다.

▲ (왼쪽부터) 이영인 교수, 지명준 박사과정(제 1저자), 김정현, 류철희 석사과정(공동저자)

압전촉매는 기계적 에너지를 수확하여 전기화학적 에너지로 변환할 수 있어 큰 관심을 받고 있으나, 현재까지 개발된 대부분의 압전촉매는 압력에 의한 변형과 함께 열에너지에 의해 전자가 들뜬상태가 될 수 있는 초음파와 같은 높은 에너지를 인가해야만 의미 있는 수준의 촉매 효율을 발현하는 한계가 있다.

초음파 시스템은 미세한 기포의 형성과 폭발을 통해 인접한 소재에 열과 압력을 크게 전달할 수 있는 에너지원이지만, 전기사용료 및 유지보수 비용 등 과도한 비용과 설치 공간의 제약으로 인해 압전촉매와 함께 수처리 기술로 적용하기에는 큰 한계가 있으며, 대기 정화를 위해 사용하기는 더욱 어렵다.

따라서 연구팀은 초음파에 국한된 기존 기술의 한계를 극복하고자 제어된 양의 산소 결함이 도입된 표면과 우수한 결정질의 중심부를 가지는 검은색의 타이타늄산바륨(BaTiO3-x)를 설계하여 경제적으로 합성하였다.

개발한 검은색의 타이타늄산바륨 나노입자는 교반으로 형성된 물의 흐름을 통해 인가된 기계적 에너지로 압전촉매 반응을 유도하여 비스페놀 A(내분비 교란물질)과 로다민 B(독성을 가진 염료)로 오염된 물을 성공적으로 정화하였으며, 상용 흰색 타이타늄산바륨 나노입자와 비교하여 4.3배 향상된 제거 효율을 나타내었다.

해당 연구는 압전촉매 작용을 위한 에너지원이 초음파에 국한된 기존 기술의 한계를 극복하여 다양한 에너지원(파도/물 흐름, 바람, 진동 및 음파 등)을 수확하여 대기 및 수자원 정화 기술 발전에 이바지할 것으로 전망된다.

본 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구사업의 지원으로 수행되었고, 전자신문을 포함한 다수의 언론에서 보도되었다.

□ 논문정보
- 저널: Nano Energy, 2022, 95, 106993
- 출판일: Available online 29 January 2022
- 제목: Synthesis of self-modified black BaTiO3−x nanoparticles and effect of oxygen vacancy for the expansion of piezocatalytic application
- 저자: Myeongjun Ji, Jeong Hyun Kim, Cheol-Hui Ryu, and Young-In Lee

(그림 1) 물의 흐름에 의해 오염된 물을 정화하는 압전촉매 기술의 개념도

- 우리 주변에 버려지는 기계적 에너지(유체의 흐름)로 압전촉매 내부에 압전 전위를 형성하여 전자의 에너지를 높이고, 이들을 촉매 표면으로 이동해 전기화학적 산화-환원 반응을 통해 오염된 물을 정화하는 개념도이다.

(그림2) 개발된 검은색 BaTiO3-x 와 흰색 상용 BaTiO3의 교반 시스템에서 압전촉매 특성 평가

- 본 연구에서 개발된 흑색 BaTiO3-x 나노입자와 상용화된 BaTiO3 나노입자의 압전특성을 평가하기 위해 교반 시스템에서 유기물 분해 실험을 진행하였다.
- 중앙 및 우측의 그래프는 각 입자를 촉매로 활용했을 때 시간에 따른 유기물의 분해를 보여주며 좌측의 그래프는 전체 시간에서 분해 속도를 비교하여 나타낸 것으로 4.28배 빠른 흑색 BaTiO3-x의 효율을 확인할 수 있다.