물 흐르는 힘으로 오염물 제거하는 압전 나노촉매 개발

국내 연구진이 우리 주변에서 발생하는 자연적 또는 인위적인 기계적 에너지를 이용, 공기나 물에 있는 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 고성능 압전 촉매를 개발했다.

24일 한국연구재단에 따르면 서울과학기술대 이영인 교수 연구팀이 환경정화용 압전촉매로 표면에 산소 결함이 형성된 ‘타이타늄산바륨 나노입자 소재’개발에 성공했다.

압전촉매(piezocatalysis)는 재료의 변형 상태에서 분극에 의해 유도된 압전 전위를 이용해 표면에서 전기화학반응이 가능한 소재를 말한다.

압전 촉매는 주변에 버려지는 다양한 기계적 에너지를 받아들여 전기화학적 에너지로 변환하는 장점이 있다.

하지만, 물 흐름과 같이 적은 에너지 수준에서는 낮은 촉매 특성을 나타내 초음파와 같이 높은 에너지를 일부러 가해야 한다는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 제어된 양의 산소 결함을 도입한 표면과 우수한 결정성의 중심부로 구성된 ‘검은색 타이타늄산바륨 나노 입자’를 설계·합성했다.

나노 입자 중심부의 우수한 결정성은 촉매 작용에 참여하는 전자에 높은 에너지를 부여하며, 표면에 형성된 산소 결함은 촉매 반응에 참여하는 전자의 농도를 크게 증가시킨다.

또 개발한 검은색 타이타늄산바륨 나노 입자는 물 흐름에 의해 발생하는 적은 에너지만으로도 압전 촉매 반응을 유도해 비스페놀 A(내분비 교란물질)와 로다민 B(독성을 가진 염료) 등으로 오염된 물을 성공적으로 정화했다.

특히 개발한 소재는 흰색 타이타늄산바륨 나노입자와 비교해 오염물질 제거 성능이 약 4.3배 증가했으며, 정화 과정을 반복해도 제거 성능을 유지했다.

이번에 개발된 기술은 파도나 물의 흐름, 바람, 진동 및 음파 등의 다양한 기계적 에너지를 수확해 대기 및 수자원 정화 기술로 활용될 전망이다.

한편, 이번 연구의 성과는 에너지·소재 분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 온라인판에 최근 게재됐다.