[POSTECH 공동연구팀, 친수성 곁가지 및 불소 치환 통한 수소 생산 고분자 광촉매 성능 향상]

화석연료를 대체하기 위해 친환경, 신재생 에너지 연구에 관심이 집중되고 있다. 수소에너지는 원료가 되는 물이 지구상에 풍부하게 존재하며, 수소를 연소시켜도 산소와 결합해 극소량의 질소와 물로 변하므로 공해 물질로 인한 환경오염 염려가 없어 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 태양광을 이용해 물을 분해하는 광촉매 물 분해는 수소 생산을 위한 매력적인 방법으로 손꼽힌다.

최근 POSTECH, 고려대, 경북대 공동연구팀이 친수성 곁가지-불소 치환을 이용한 주사슬 개질을 통해 친환경 유기 소재 기반의 수분해 광촉매를 개발했다. 연구 결과는 나노·마이크로 재료 과학 분야의 국제 학술지 ‘스몰(small)’에 게재됐다.

현재까지 광촉매는 주로 이산화티타늄 등 무기 소재로부터 제조되었는데, 무기 광촉매 소재의 경우 흡광 영역이 UV로 제한될 뿐만 아니라, 친환경 특성이 제한적이다. 공동연구팀은 친환경 유기 반도체 소재의 수분해 특성을 향상시키기 위해 알콕시, 선형 올리고 에틸렌 글리콜(oligo ethylene glycol, OEG) 측쇄, 골격 불소 치환기를 포함하는 벤조티아졸(benzothiazole)^*1 기반 도너-억셉터 공중합체 고분자 구조의 광촉매를 제시하고 수소 생산 성능과 성질을 분석했다. 고분자 골격의 OEG 측쇄는 고분자 나노입자의 표면 에너지를 증가시켜 물과의 상호작용을 향상시키고 물로의 전하 수송체 전달을 쉽게 했다. 이와 더불어, OEG 부착 공중합체는 알콕시 곁사슬을 갖는 중합체에 비해 곁사슬의 자기 조립 특성에 의해 향상된 분자 간 적층 구조를 나타냈다.

뿐만 아니라, 중합체 골격의 불소 치환기는 뚜렷한 π–π 적층 특성을 가지며, 이는 폴라론의 긴 수명시간을 나타냈다. 또한, 메탄올-물 혼합 용매를 이용한 새로운 나노입자를 합성했을 때, 나노입자와 물 사이의 계면활성제의 전하 수송체 전달을 더욱 쉽게 하는 것을 확인했다. 마지막으로 가시광선 조사했을 때, OEG 측쇄와 불소 치환기로 이루어진 공중합체 고분자 광촉매에 대해 26000µmolg-1 h-1의 수소 생성량을 얻었다.

연구를 주도한 화학공학과 정대성 교수는 “유기 광촉매는 탄소와 수소가 주 구성원소라는 측면에서 친환경적일 뿐만 아니라, 흡광영역을 가시광 뿐만 아니라 근적외선까지 확장할 수 있다”며, “태양에너지를 완전하게 이용할 수 있는 매력적인 소재”라고 말했다.

1. 벤조티아졸(benzothiazole)
유기 황 화합물의 하나. 색이 없고 약간 점성이 있는 액체이다.