탄소점-폴리도파민 이종접합으로 무기물 없이 기록적 성능 달성
‘Journal of Materials Chemistry A’에 논문 게재, 환경·에너지 분야 혁신 기대

왼쪽부터 동아대 화학공학과 구민수 교수, 제1저자 김서현 석사과정생

동아대학교(총장 이해우)는 화학공학과 구민수 교수 연구팀이 무기소재 없이 100% 유기소재만 사용, 지금까지 보고된 사례 중 세계 최고 수준의 ‘과산화수소(H2O2) 생산 광촉매 성능’을 달성했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제적 권위지 ‘Journal of Materials Chemistry A (IF: 9.5, 상위 14.6%)’에 온라인 게재됐다.

과산화수소는 물 정화, 살균, 친환경 화학 합성 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 친환경 산화제이지만, 기존 화학 합성법은 고압·고온 조건과 유해 화학물질을 필요로 하기 때문에 환경적인 부담이 크다.

이에 따라 태양광을 활용해 공기 중의 산소로부터 과산화수소를 직접 합성하는 친환경 기술이 차세대 대안으로 주목받고 있다.

동아대 구민수 교수 연구팀은 탄소점(Carbon Dots, CDs)과 폴리도파민(Polydopamine, PDA)을 결합한 이종접합(heterojunction) 광촉매를 설계, 표면 기능기의 이중성(surface functional duality) 성질을 최대한 활용했다.

탄소점은 기존 무기기반의 양자점을 탄소 소재로 대체해 합성한 것으로, 광흡수 범위를 확장하고 카르복실산, 수산화기, 카르보닐기 등 풍부한 표면 작용기로 광촉매의 활성점 역할을 한다.

또 폴리도파민은 카테콜기 표면 작용기로 활성점 역할을 함과 동시에 전하 재결합 억제와 선택적 2전자 산소환원반응을 촉진, 무기촉매에서나 가능했던 고효율·고안정성을 순수 유기소재 이종접합 시스템에서 구현했다.

그 결과 개발된 광촉매는 1408 μmol·g-1·h-1의 과산화수소 생성 성능을 달성, 지금까지 보고된 모든 유기계 광촉매 중 가장 높은 값을 기록했다. 또 장시간 연속 광조사와 반복 사용 후에도 성능 저하가 거의 없어 안정성과 실용적 응용 가능성을 입증했다.

구민수 교수는 “이번 연구는 유기소재 만으로도 무기소재를 능가하는 성능을 구현할 수 있다는 것을 보여준 의미 있는 사례”라며 “친환경·저비용의 대규모 과산화수소 생산 및 수처리·환경정화 기술 개발에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 제1저자인 김서현 석사과정생은 “처음에는 수많은 합성과 측정 과정을 거치면서 원하는 성능이 나오지 않아 어려움도 많았지만 목표 수준의 성능 결과를 얻었을 때 큰 보람을 느꼈다”며 “이번 연구를 통해 유기 광촉매 소재의 잠재력을 확인했고 앞으로도 친환경·에너지 분야에서 의미 있는 연구를 이어가고 싶다”고 말했다.

친환경 과산화수소 생산용 카본닷-폴리도파민 이종접합 광촉매 이미지

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com