이화여자대학교는 화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 세계 최초로 빛의 키랄성(chirality)을 이용해 수소 생산 효율을 최대 2배 이상 높일 수 있는 '편광 선택적 광촉매 기술'을 개발했다고 20일 밝혔다.
뉴시스 보도에 따르면, 태양광을 이용한 수소 생산은 물을 분해해 친환경 수소를 얻을 수 있는 차세대 기술이지만, 기존 광촉매 시스템은 태양광을 충분히 활용하지 못하고 생성된 전하가 빠르게 사라지는 문제가 있었다.
이에 연구팀은 빛의 방향성 정보 '편광'을 반응 설계에 직접 도입해, 전하 이동 경로를 능동적으로 조절하고 반응 효율을 높이는 새로운 광촉매 설계를 제시했다.
이는 빛의 키랄성을 이용한 것이다. 키랄성이란 왼손과 오른손처럼 서로 닮았지만 겹쳐지지 않는 방향성을 의미하며, 이 방향성이 빛과 물질 사이에서 서로 맞을 때 에너지 전달과 반응 효율이 높아지게 된다. 개발된 촉매는 이러한 빛의 방향성을 촉매 구조에 '각인'시켜 빛과 물질의 상호작용을 촉매 설계 단계에서부터 제어할 수 있도록 한 것이 특징이다.
연구팀이 촉매의 성능을 분석한 결과, 빛의 편광 방향이 촉매의 키랄성과 일치(chiral matching)할 경우 수소 발생량이 최대 2.1배 증가하는 뚜렷한 편광 선택성이 나타났다. 반면 비키랄 촉매에서는 이러한 선택성이 나타나지 않아, 키랄 구조가 반응 선택성 향상의 핵심 요소임이 실험적으로 입증됐다.
이번 연구는 빛의 방향성이 전하 이동 경로와 촉매 구조 안정성까지 결정할 수 있음을 실험적으로 보여준 최초 사례라는 점에서 의미가 크다.
김 교수는 "이번 성과는 빛의 편광과 키랄 구조의 '정합'이라는 설계 원리를 광촉매에 도입한 최초의 사례로, 태양광 기반 수소 생산의 전환점을 제시할 것"이라고 강조했다.
한편 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 15일 게재됐다.
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