복잡한 구조의 나노소재 합성 한계 극복해 촉매 효율 확보
다중요크-쉘 나노코일을 포함한 독특한 구조의 8종의 나노코일 기반 소재 개발
연구결과, 재료공학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ 표지논문 선정돼

▲ 왼쪽부터 김영근 교수(교신저자), 문준환 석박사통합과정(제1저자), 오은수(석사과정, 제1저자)

공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 간단한 전기화학 공정으로 금-인산철 요크-쉘 나노코일을 제조하고, 오염물질의 높은 광분해 효과를 확인했다.

* 연구한 요크-쉘 나노코일은 속이 텅빈 인산철 튜브 내부에 다량의 금 나노입자 들어가 있는 강낭콩 같은 구조임

연구결과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 표지 논문(Front cover)로 선정됐다.
* 논문명 : One-Step Electrochemical Synthesis of Multiyolk-Shell Nanocoils for Exceptional Photocatalytic Performance
* 저자정보 : 김영근 (교수) (교신저자/고려대학교), 문준환 (제1저자, 고려대학교), 오은수 (제1저자, 고려대학교), 구명석 (공동저자, 고려대학교), 전유상 박사 (공동저자, 고려대학교), 장영준 (공동저자, 고려대학교), 부홍은 (공동저자, 고려대학교), 고민준 박사 (공동저자, 고려대학교)

연구팀은 효율적인 빛의 흡수와 3차원 구조에서 넓은 표면적을 가질 수 있는 다중 요크-쉘 나노코일 형태에 집중했다. 연구팀은 코발트-철 나노코일을 활용하여, 전기화학적 조절로 금 나노입자(Au)가 내재된 인산철(FePO4) 다중 요크-쉘 나노코일을 원스텝 공정으로 제작하는 데 성공했다. 이 나노구조에 빛을 쪼여 오염표지물질인 메틸렌블루를 50분내에 광분해할 수 있었다,

태양에너지를 이용하는 광촉매 분야는 기후변화에 대응할 수 있는 친환경 에너지 전환 반응으로, 다가오고 있는 미래 경제에서 필수적인 공정으로 평가받고 있다. 광촉매의 성능은 효율적인 빛의 흡수, 전자-정공의 분리와 수송, 넓은 표면적에 의한 반응이 가능하게 하는 설계에 크게 의존하여 내부가 빈 나노물질들이 개발되었다. 하지만, 제한적인 소재와 복잡한 제조 방법으로 인해 성능 향상과 제조 방법에서 사용되는 추가적인 에너지 사용을 피하기 위한 새로운 돌파구를 찾기 위한 연구가 꾸준히 진행돼왔다.

연구진은 전기도금법으로 이종 코발트-철 나노코일을 합성한 후, 전기화학적으로 디자인 된 용액 내에서 이종 금속 물질의 서로 다른 거동 차이를 이용하여 원스텝 과정(one-step process)으로 다중 요크-쉘 나노코일을 포함한 8종의 나노코일을 합성했다. 합성 과정은 70℃ 이하의 온도에서 약 20분 내외가 소요되었으며, 이는 기존의 요크-쉘 합성 방법에 비해 사용되는 에너지와 시간을 크게 감소시켰다.

김영근 교수는 “전기화학적으로 실험 조건을 디자인하여 목표한 구조의 나노소재를 간단하게 제작할 수 있다는 점에서 학문적.기술적 의의가 있다”며 “이전에 없는 새로운 구조의 요크-쉘 나노코일은 뛰어난 광 흡수 능력, 넓은 표면적과 활성자리 제어가 필요한 에너지·환경 및 바이오 분야로의 응용이 가능할 것”이라고 전했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업 지원으로 수행됐다.


[ 용 어 설 명 ]

1. 다중요크-쉘 나노코일
  ○ 속이 빈 튜브형 나노코일 내부에 여러 개의 금속 나노입자가 존재하는 형태를 의미함. 일련의 동심원을 공간적으로 연결하여 형성된 나노스케일의 코일 형태는 기존에 보고되지 않았던 새로운 물리·화학적 특성을 보여 관련 연구가 활발히 진행되고 있음. 그 중, 다중요크-쉘 나노코일은 구조적·방법론적 어려움으로 인해 제작과 그 응용분야가 지금까지 한정되었음.

2. 활성 자리
  ○ 촉매가 반응물과 충돌하여 반응을 촉진하는 실질적인 부위를 의미함. 촉매와 반응물의 충돌이 활발할수록 활성에너지가 낮아져 반응속도가 빨라짐.

3. 산화·환원반응
  ○ 산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 잃는 것을 말함.
  ○ 환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 얻는 것을 말함.
  ○ 산화와 환원은 서로 반대 작용으로, 한쪽 물질에서 산화가 일어나면 반대쪽에서는 환원이 일어남.

4. 갈바닉 교환 반응
  ○ 특정 조건에서 전기화학 포텐셜 차이에 의해 자발적으로 발생하는 산화·환원 반응.

5. 커켄달 효과
  ○ 두 종류 이상의 물질이 하나의 계면을 두고 상호 확산할 때, 물질 간 확산 속도 차이에 의해서 커켄달 공극이 생기는 현상. 확산 속도가 빠른 쪽에서 커켄달 공극이 생성되며, 반응이 진행될수록 중공화(Hollow process) 반응이 일어남.

6. 광촉매
  ○ 광을 에너지로 이용하여 특정 광화학반응을 촉진시키는 촉매로서, 광을 받으면 활성을 띠고 그렇지 않을 경우에는 비활성인 물질임.

[ 그 림 설 명 ]

                
(그림1) Advanced Materials 표지 논문(Front Cover) 이미지
물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용하여 합성한 다양한 종류의 나노구조체와 다중요크-쉘 나노코일의 물분해 광촉매 효과를 표현

(그림2) 다중요크-쉘 나노코일의 합성 메커니즘
물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용한 합성 메커니즘 모식도와 반응 단계에 따른 투과전자현미경 이미지. 주형으로 사용된 합금 나노코일의 두 금속이 서로 다른 기능을 하며 다중요크-쉘 구조를 형성함. 한 금속은 밖으로 빠져나가며 전기장을 생성하고, 다른 금속은 고체/액체 계면을 생성하는 역할을 함. 외부 수용액에 있는 금속 이온은 생성된 전기장에 의해 나노코일 내부로 확산되며 환원 반응을 거쳐 금속 나노입자를 생성함.



(그림3) 다중요크-쉘 나노코일의 유기물 광분해 촉매 특성
(a) 다양한 형태와 이종접합을 가진 나노코일 기반 나노복합체를 이용한 메틸렌블루(MB) 광분해 효율 비교. Au-FePO4 다중요크-쉘 나노코일에서 촉매 효율이 가장 향상됨을 보여줌. (b) 형태에 따른 촉매의 전기화학적 활성 표면적(ECSA)과 MB 제거 상수의 그래프 (c) Au-FePO4 다중요크-쉘 나노코일과 Pt-FePO4 다중요크-쉘 나노코일의 내부 입자에 따른 광분해 반응 메커니즘 모식도




커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)