차세대 저차원 나노물질 흑린을 이용한  친환경 광촉매 개발

실생활 환경 및 바이오분야 응용을 위한 효율적인 신규 흑린 광촉매 재료 개발

- 기초지원연 이주한, 이현욱 박사와 가천대 이영철 교수 공동연구 -

□ 한국기초과학지원연구원(원장 정광화, 이하 기초지원연) 환경소재분석본부 이주한, 이현욱 박사 연구팀은 가천대학교(총장 이길여, 이하 가천대) 이영철 교수와의 학-연 공동연구를 통해 기존 그래핀을 대체할 수 있는 차세대 저차원 나노물질로 주목받고 있는 흑린(Black Phosphorus, BP)을 활용하여 안정적이고 활성이 뛰어난 흑린-TiO2 광촉매 재료를 세계 최초로 제조하는데 성공하였다.

□ 띠 간격이 없어서 반도체로 응용되기 어려운 그래핀(Graphene)과는 달리 열린 띠 구조를 지닌 흑린은 뛰어난 광전기(光電氣)적 성질*에도 불구에도 공기 중에 존재하는 습기에 약한 단점을 지니고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 TiO2(이산화티탄) 입자 치환법을 적용한 이번 연구를 통해, 물속에서도 안정적으로 흑린 구조를 유지하면서 가시광을 효과적으로 이용하여 오염물 및 병원성균을 제거할 수 있는 광촉매 재료를 세계 최초로 제조할 수 있게 되었다. * 광전기적 성질: 어떤 물질 표면에 입사되는 빛의 에너지의 세기에 따라 전자의 흐름이 달라지는 성질

- 기존에 연구된 그래핀이나 몰리브덴 설파이드(MoS2, 반도체 산업에 이미 사용되고 있는 대표적인 반도체 물질)의 경우, MoS2에 TiO2가 균일하게 치환(置換*)되지 않기 때문에, 치환 반응에 앞서서 음이온성 고분자로 표면을 코팅하는 공정이 필요하지만, 이번 연구를 통해 흑린의 경우에는 추가적인 공정 없이 비교적 균일하게 TiO2 입자가 2차원면 전체에 치환** 가능하였다.

** 치환: 어떤 화합물의 분자 중에 포함되는 원자 또는 원자단을 다른 원자 또는 원자단으로 바꾸어 놓는 반응

- 가시광에서의 촉매 활성도 역시 MoS2-TiO2보다 흑린-TiO2 광촉매가 우수하고, 흑린에 대한 수분 불안정성을 간단한 금속산화물(Metal oxide, 산소와 결합한 각종 금속 화합물의 총칭으로 대표적인 예가 TiO2) 치환 기술로 해결할 수 있음을 확인하였다.

- 기존에는 고가장비를 이용한 금속산화물 코팅 기술을 이용하여 흑린 기반 광전자 소자를 구현하려고 했지만, 본 연구진은 저가격의 단순 졸-겔 반응에 의한 금속산화물 치환 기술을 이용하여 오염물이나 폐수를 생체·인체·환경적으로 무해한 물로 재이용하는 수처리 사업 등의 환경분야에도 응용할 수 있음을 보여주었다.

□ 이번 연구결과는 네이쳐 자매지인 사이언티픽리포츠(Scientific reports)誌 온라인판에 (논문명 : Stable semiconductor black phosphorus (BP)@titanium dioxide (TiO2) hybrid photocatalysts, IF=5.078) 게재되었다.

□ 기초지원연 이주한 박사는 “이번 연구는 흑린을 화학적인 방법으로 박리하는 방법과 흑린의 구조를 안정화할 수 있는 단순한 금속산화물 치환법을 발견했다는데 의미가 있으며 이를 활용해서, 기존 그래핀을 대체하거나 보완할 수 있는, 광촉매, 반도체 및 디스플레이등 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 흑린 기반 저차원 나노물질 연구를 중점적으로 연구하고 있다”라고 밝혔다.

□ 가천대 이영철 교수는 “앞으로 흑린에 TiO2 외에도 다른 금속산화물을 치환하여, 흑린이 인체 내에 약물을 전달하는 동시에 형광으로 추적이 가능하며, 임무를 수행한 후 인 이온으로 분해되는 스마트 약물전달체 등과 같은 의료분야에도 응용 가능 할 것이다”라고 밝혔다.

☎ 문의처 : 기초지원연 환경소재분석본부 이주한 박사 (042-865-3613)

                  가천대 바이오나노학과 이영철 교수 (031-750-8751)