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2020-05 31

[학술][이달의 연구자] 박재우 교수, 광촉매 전하수송층 개발해 광촉매 효율 높이다

촉매는 화학 반응 속도를 높여주는 물질을 말한다. 화학반응의 수율(반응물 대비 생성물의 수)을 높이기 위해 사용된다. 그 중 광촉매는 빛을 받으면 촉매반응을 일으키는 물질로 유해물질을 물과 탄산가스로 변환시켜 무독, 무취의 물질로 분해하는 역할을 한다. 광촉매는 별도의 에너지나 물질 없이 빛을 이용해 유, 무기 화학물질을 분해할 수 있어 효과적인 기술이다. ▲ 박재우 건설환경공학과 교수는 환경 전반에 걸쳐 오염물질을 제어 및 정화하는 다양한 연구를 수행하고 있다. 광촉매 반응은 전자와 정공(전자의 구멍)에 의한 산화 환원 반응을 기본으로 하기에 산화 환원 반응이 관여하는 모든 분야에 적용할 수 있다. 현재 광촉매는 수질 정화, 탈취, 항균 등 환경 분야와 물 분해를 이용한 수소 에너지원 생산에 활용되고 있다. 광촉매 반응은 형성된 전자와 정공이 불안정한 상태이기에 다시 원상태로 돌아가려는 전자-정공 재결합 현상(재결합)이 발생한다. 재결합은 광촉매 반응 활성을 낮추는 주요 원인 중 하나다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 광촉매 개선 연구들이 재결합 억제에 초점을 맞추고 있다. 박재우 건설환경공학과 교수 연구팀은 기존 방법과 다른 전하 전달체 수송 층(Charge carrier transfer layer, CTL)을 이용해 전자를 정공으로부터 분리하는 방법을 개발했다. (Applied Cataltsis B: Environmental, 265, 15 May 2020, 118564) 재결합을 막기 위한 기존 연구는 전자와 정공을 완전히 분리하는 것이 아닌 재결합 경로를 연장해 속도를 늦추는 방법이었다. 이는 수명을 늘릴 수는 있어도 재결합을 근본적으로 막지는 못했다. ▲CTL을 이용한 광촉매의 구조, 광촉매(황색층)에서 발생한 전자는 CTL(녹색층)을 거쳐 전하수집체(청색층)에 축적된다.(Elsevier 제공) CTL을 활용한 광촉매는 크게 3가지 구조로 나뉜다. 빛을 받아 전자-정공 쌍을 형성하는 광촉매, 전자를 선택적으로 이동시키는 CTL, 이동한 전자를 축적하고, 저장하는 전자 수집체다. 여기서 핵심이 되는 CTL은 전자를 수송하면서 정공의 통과는 억제한다. 이로 인해 전자는 광촉매에서 전자 수집체로 이동하며 재결합이 억제된다. 전자는 전자수집체에 정공은 광촉매 표면에 축적된다. 기존 연구와 달리 박 교수 연구팀의 방법은 기존 재결합을 늦추는 것에 그치지 않고 전자 분리 후 역이동을 차단해 재결합을 방지하기에 높은 촉매 반응 활성을 유지할 수 있다. ▲박재우 교수의 연구팀 모습. 박 교수(앞줄 왼쪽에서 세번째)는 "이번 이달의 연구자로 선정된 것은 연구팀의 노력 덕분이다"고 말했다. 박 교수팀의 결과로 촉매 시스템에 CTL이 포함되면 수소의 생성 및 오염물질 분해 가능성이 높아질 수 있음이 밝혀졌다. 박 교수는 “CTL을 이용한 촉매는 가시광선 조사하에서 기존 촉매보다 78% 높은 수소 수율을 보였다”며 “CTL을 이용한 촉매는 환경 분야와 에너지 분야에서 광범위하게 적용할 수 있다”고 말했다. 박 교수는 이달의 연구자로 선정된 것에 “여러 훌륭한 교수님들도 많으신 데 이달의 연구자로 선정돼도 되는지 모르겠다”며 “함께 연구하는 대학원생들의 수많은 고민과 노력이 없었다면 이번 연구 결과도 없을 것”이라고 겸손한 자세를 보였다. 덧붙여 박 교수는 “이번 논문은 파키스탄 국비유학생으로 박사졸업을 앞둔 하산 안와르(Anwer, 건설환경공학과 박사과정) 학생이 주 연구자로서 노력한 결과이며, 하산 학생의 노력에 큰 박수를 보내고 싶다” 고 학생에게 공을 돌리며 소감을 밝혔다. 글/박지웅 기자 jiwoong1377@hanyang.ac.kr

2017-02 27

[학술][이달의 연구자] 김기현 교수(건설환경공학과)

주변 환경이 인간의 건강에 미치는 영향은 지대하다. 이달의 연구자 김기현 교수(건설환경공학과)는 최근 탄소나노튜브의 환경보건학적 활용에 관한 리뷰 논문(여러 논문의 성과를 하나의 논문으로 정리한 것)을 집필했다. 대기오염 등의 환경오염 분야를 지속적으로 연구해온 김 교수는 신소재가 주변 환경 개선에 어떻게 활용될 수 있을지를 고민했다고 했다. 신소재에 관한 연구가 소재 자체의 발전을 넘어, 주변 환경과 인간 삶의 질 개선에 도움을 줄 때 더 가치 있는 연구가 가능하단 것이 그의 생각이다. 신소재의 활용 방안, 무궁무진한 가능성 있다 나노 물질에 대한 연구는 물리, 화학, 생명 등 다양한 분야에서 진행됐다. 최근에는 여러 소재의 결합을 통한 첨단 소재에 관한 연구도 늘었다. 특히 탄소나노튜브의 활용도가 높다. 다른 소재에 비해 부피 대비 표면적이 넓고, 광학적-전기적 인장 강도가 높다는 특성 때문이다. 김기현 교수는 탄소나노튜브를 중심으로 신소재를 환경 및 헬스 케어 분야에 활용할 방안을 제시했다. "나노 소재를 실제로 활용하는 방안에 대한 연구는 여전히 많은 가능성을 갖고 있습니다. 이번 논문은 소재 연구를 다른 문제와 관련지을 때 더 새로운 가치가 있단 것을 보여주고자 했던 리뷰 논문입니다." 기존 소재 연구가 소재 자체의 특성을 개선하거나 첨단 소재를 찾는 데 집중했다면, 이번 논문은 이런 소재의 활용 방안에 대한 것이라는 설명이다. 예컨대, 탄소나노튜브는 헬스 케어 분야에서 활용될 수 있다. 인체의 뼈를 대신하거나, 조직하는 물질로 사용될 수 있고 심근경색 등의 혈관 질환을 치료하기에도 유용하다. 기존 소재를 사용할 때 생기는 경제적 부담을 개선할 수 있을 것이란 기대도 높다. 한 가지 유의할 점은 신체의 면역∙항체반응이 일어날 수 있다는 것. 첨단 소재가 가진 독성을 차단할 수 있도록 '코팅'이나 '변형'을 통해 위험 없는 소재로 바꾸는 연구가 진행돼야 한다. 환경문제 해결에도 신소재가 활용될 수 있다. 대기 중에 있는 휘발성유기화합물질(Volatile Organic Compounds)은 휘발되면서 악취를 내고, 호흡기를 통해 흡입하면 발암 물질을 유발할 수 있다. 이런 물질을 감지하는 수단으로 '금속유기구조체'가 이용되고 있다. 평소 대기 오염에 관한 다수 연구를 진행하는 김 교수는 "첨단 소재를 통해 공기 정화를 하는 방법을 찾다가 이번에 총설을 썼다"고 설명했다. ▲김기현 교수(건설환경공학과)는 탄소나노튜브 등의 신소재가 환경 문제 개선에 활용될 수 있다며 관련 연구를 촉구했다. 환경 문제와 신소재의 융합, 블루오션 기대해 이처럼 김 교수의 연구는 신소재의 새로운 활용 방안이나 가치 창출에 더 집중했다. 소재 자체의 경제적 가치와 성능, 효율 등을 뛰어넘어 주변 환경 및 건강 문제 개선에 도움을 주는 방향을 제시한 것이다. 환경 오염이 심화되는 추세인 만큼 김 교수의 이번 제안은 '블루오션' 연구에 대한 기대를 모으게 한다. "소재 연구가 주변 환경과 시너지를 내는 방향으로 진행돼야 한다고 생각합니다. 신소재와 환경 분야 간의 연구가 충분하지 않기 때문에 블루오션이라 부를 만해요." 김 교수의 현재 연구 주제는 3가지다. 토양, 대기, 수질 오염 등 다양한 환경오염 지표를 통합 관리하는 모니터링 시스템, 전자담배의 발암물질을 정확하게 측정하는 방법, 축산업에서 발생하는 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 방법에 대한 연구다. 김 교수는 평소 환경 관련 연구를 진행하며, 오염 정도 감지 기술 등에 신소재를 활용할 방안을 고민해왔다. 이번 논문도 이런 고민이 있었기에 나올 수 있었다. ▲김기현 교수가 '흡착 튜브'를 통해 분석한 대기 중의 오염물질에 대해 설명하고 있다. 타인과의 경쟁보다 '더 좋은 연구'에 집중해야 김기현 교수는 초심을 잃지 않고 연구하는 것이 연구자의 기본 자세라고 밝혔다. 제자들을 가르치며 연구에 집중하지 못하거나, 연구보다 타인과의 경쟁에 몰두하는 모습을 종종 발견하기 때문이다. 김기현 교수는 "학부 때는 학점 경쟁만이 전부인 것처럼 보이지만, 다른 사람과의 경쟁보다 '더 좋은 연구'를 만드는 것이 연구자의 중요한 목표가 돼야 한다"고 거듭 강조했다. ▲김기현 교수는 "신소재를 이용해 대기오염 문제를 해결하고 싶다" 며 학자로서의 강한 의지를 밝혔다. 글/ 오상훈 기자 ilgok3@hanyang.ac.kr 사진/ 최민주 기자 lovelymin@hanyang.ac.kr