“햇빛 에너지 오래 붙잡는 비밀 찾았다”…KAIST, 광촉매 성능 향상 실마리

[헤럴드경제=구본혁 기자] 햇빛으로 수소를 생산하는 광촉매의 효율을 높일 수 있는 새로운 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 태양광 수소 생산과 이산화탄소 전환, 오염물질 분해 등에 활용되는 고효율 광촉매 개발에 새로운 돌파구가 될 전망이다.

KAIST는 화학과 김태규 교수 연구팀이 경희대, 가톨릭대, 포항가속기연구소와 공동으로 이산화티타늄 내부의 ‘산소 결함’이 전자를 안정적으로 붙잡아 두는 원리를 규명했다고 25일 밝혔다.

이산화티타늄은 빛을 받으면 화학반응을 촉진하는 대표적인 광촉매 소재다. 태양광으로 수소를 생산하거나 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 친환경 기술에 활용된다.

하지만 빛을 받아 에너지를 얻은 전자가 정공과 빠르게 재결합하면 화학반응에 사용할 에너지가 사라진다는 한계가 있다. 전자가 정공과 다시 만나지 않도록 유지하는 시간이 광촉매 성능을 좌우하는 중요한 요인인 셈이다.

연구팀은 산소 원자 일부가 빠져 푸른빛을 띠는 ‘블루 이산화티타늄(blue TiO₂)’에 주목했다. 산소 원자가 빠진 빈자리가 전자를 일시적으로 붙잡는 ‘대기실’ 역할을 할 수 있다는 점에 착안했다.

이를 확인하기 위해 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기인 엑스선 자유전자레이저를 활용했다. 1000조분의 1초인 펨토초 단위로 전자의 상태 변화와 주변 원자 구조의 움직임을 추적했다.

분석 결과 일반 이산화티타늄과 블루 이산화티타늄 모두 빛을 받은 직후 전자가 일시적으로 붙잡혔다. 하지만 블루 이산화티타늄에서는 산소 결함의 영향으로 전자가 쉽게 빠져나오지 못하는 ‘깊은 포획 상태’가 형성됐다.

실제 전자는 약 1.5나노초(10억분의 1초 단위)에 걸쳐 더욱 안정적인 상태로 이동했다. 이후 전자와 정공의 재결합 속도는 일반 이산화티타늄보다 약 2.5배 느린 것으로 나타났다.

이는 빛으로 생성된 전자가 화학반응에 참여할 수 있는 시간을 늘릴 가능성을 보여주는 결과다.

연구팀은 전자가 안정적으로 붙잡히는 과정에서 주변 원자들의 배열도 함께 변한다는 사실을 확인했다. 산소 결함뿐 아니라 주변 원자 구조의 변화까지 전자의 안정성에 영향을 미친다는 의미다.

이번 연구는 소재 내부의 미세한 결함이 전자를 붙잡는 과정과 원자 구조 변화, 에너지 손실 지연으로 이어지는 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 크다.

특히 산소 결함의 양과 분포를 정밀하게 조절하면 태양광 에너지를 더욱 효과적으로 활용하는 광촉매 설계가 가능할 것으로 기대된다. 다만 실제 수소 생산 효율 향상으로 이어지는지는 추가 검증이 필요하다.

김태규 교수는 “소재 속 산소가 빠진 빈자리가 단순한 결함이 아니라 전자를 오래 유지하도록 돕는 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다”며 “소재의 미세한 구조를 조절해 빛 에너지를 보다 효과적으로 활용하는 광촉매를 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’ 9월 17일 온라인 게재됐다.