KAIST, 빛 에너지 오래 붙잡는 ‘전자의 대기실’ 찾았다…광촉매 효율 높일 실마리 작성일 10-25 49 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">블루 이산화티타늄 산소 결함이 전자 안정화<br>전자·정공 재결합 일반 소재보다 2.5배 지연<br>초고속 엑스선으로 펨토초 단위 변화 추적<br>수소 생산·이산화탄소 전환 광촉매 설계 기대</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="PZ91prfzOQ"> <p contents-hash="59a39cde27eb107d67c4bd0c28634dc7bf5d303d3630cca822e0356ee757374f" dmcf-pid="Q52tUm4qwP" dmcf-ptype="general"> [이데일리 이소현 기자] 빛을 받은 전자가 곧바로 사라지지 않고 오래 머물도록 붙잡아두는 ‘전자의 대기실’ 역할을 하는 구조가 규명됐다. 전자와 정공의 재결합을 늦춰 빛 에너지가 실제 화학반응에 쓰일 시간을 늘릴 수 있어 태양광 수소 생산이나 이산화탄소 전환 등에 활용되는 고효율 광촉매 설계에 도움이 될 것으로 기대된다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="e95f957a6db6603c43327eaaecb0e04a0ae94fad36160a8984d51c2688f1c1f0" dmcf-pid="xUQ7KSRfO6" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="광촉매 소재에서 산소가 빠진 빈자리가 전자를 안정적으로 붙잡아 두고, 에너지를 활용할 시간을 늘려주는 원리를 규명한 KAIST 연구진으로 김효주(왼쪽부터) 박사과정생, 이준호 박사과정생, 오한얼 박사과정생, 우태균 박사과정생, 김태규 KAIST 화학과 교수(사진=KAIST)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120331885dvlu.jpg" data-org-width="1280" dmcf-mid="fXA4x5NdEe" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120331885dvlu.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 광촉매 소재에서 산소가 빠진 빈자리가 전자를 안정적으로 붙잡아 두고, 에너지를 활용할 시간을 늘려주는 원리를 규명한 KAIST 연구진으로 김효주(왼쪽부터) 박사과정생, 이준호 박사과정생, 오한얼 박사과정생, 우태균 박사과정생, 김태규 KAIST 화학과 교수(사진=KAIST) </figcaption> </figure> <div contents-hash="998e6fc690f8e8544066cbda34b10c6f23d38f1c1c4348ed39e866223957a4f9" dmcf-pid="yATkm6YCs8" dmcf-ptype="general"> 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 김태규 교수 연구팀이 경희대 김태우 교수, 가톨릭대 김중한 교수, 포항가속기연구소 이재혁 박사 연구팀과 함께 이산화티타늄 속 ‘산소 결함’이 전자를 오래 유지하게 하는 원리를 규명했다고 25일 밝혔다. </div> <p contents-hash="e6bb20c73b94406df7e72145f12bbec16e1cf716f2139a9e07d34b1eed970158" dmcf-pid="WcyEsPGhs4" dmcf-ptype="general">이산화티타늄은 빛을 받아 화학반응을 촉진하는 대표적인 광촉매 소재다. 태양광을 이용해 수소를 만들거나 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸고 오염물질을 분해하는 데 활용될 수 있다.</p> <p contents-hash="1ea5167b95f38bd2f772495e99525d6fe5d81946661582dfd8b4610a20799e48" dmcf-pid="YkWDOQHlDf" dmcf-ptype="general">문제는 빛을 받아 에너지를 얻은 전자가 금세 원래 자리로 돌아간다는 점이다. 전자가 떠난 자리인 ‘정공’과 다시 결합하면 빛 에너지를 화학반응에 활용할 기회가 줄어든다. 이를 ‘재결합’이라고 한다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="b9b0b6d311225f1d0669dd65a0030f444051241c6dacb8a69169584d738128a7" dmcf-pid="GEYwIxXSmV" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="산소 결함으로 인해 생성된 깊은 트랩 상태에 의한 광유도 전하 재결합 지연 이미지(사진=KAIST)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120333091xzzc.jpg" data-org-width="1280" dmcf-mid="4xWjDfTssR" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120333091xzzc.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 산소 결함으로 인해 생성된 깊은 트랩 상태에 의한 광유도 전하 재결합 지연 이미지(사진=KAIST) </figcaption> </figure> <div contents-hash="1e5e3851240428cef7b00691f38e96f4f3392b666477c6a913824876d0804e92" dmcf-pid="HDGrCMZvs2" dmcf-ptype="general"> <strong>산소 빈자리가 ‘전자의 대기실’ 역할</strong> </div> <p contents-hash="9d4261d2f143ad8f592e8ffe74f0aba9d2701de062e14c61d3dbeed042ba2864" dmcf-pid="XwHmhR5TD9" dmcf-ptype="general">연구팀은 산소 일부가 빠져 푸른빛을 띠는 ‘블루 이산화티타늄’에 주목했다.</p> <p contents-hash="9458f1b47a83fa269008dd560a071bf7418de3e1b548f0a0a9640c87dd9313a6" dmcf-pid="ZrXsle1yIK" dmcf-ptype="general">이 소재에는 산소 원자가 빠진 ‘산소 결함’이 존재하는데, 연구팀은 이 빈자리가 전자를 붙잡아 재결합을 늦추는 역할을 하는지 분석했다.</p> <p contents-hash="0637af08aafaeaa73b465f99b7fb2b32120940bf3c798ea34ef085276e421476" dmcf-pid="5mZOSdtWDb" dmcf-ptype="general">그 결과 일반 이산화티타늄과 블루 이산화티타늄 모두 빛을 받은 직후 전자가 빠르게 에너지를 잃고 일시적으로 붙잡혔지만 이후 과정에서 차이가 나타났다.</p> <p contents-hash="4e91219c66cc106f743695c4cd03b4cee99343617e8f50a7ba7317ea9d2311c2" dmcf-pid="1s5IvJFYsB" dmcf-ptype="general">블루 이산화티타늄에서는 산소 결함의 영향으로 전자가 더 안정적으로 머무는 ‘깊은 포획 상태’가 형성됐다.</p> <p contents-hash="a1771c7b7f866a9e911db59dfd3d36a9a9fcf92aac50cfa7aea12add8fc6e313" dmcf-pid="tisLjbCEEq" dmcf-ptype="general">연구팀은 이를 공이 얕은 홈보다 움푹 팬 곳에 들어가 쉽게 빠져나오지 못하는 모습에 비유했다. 실제 구멍이 생긴다는 의미가 아니라 전자가 빠져나오기 어려운 에너지 상태에 놓인다는 뜻이다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="1949744cb6ebcec022f5e82e1093d85a0c7b2772b9f890ed4439af9a10defef0" dmcf-pid="FnOoAKhDmz" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="펨토초 X-선으로 본 이산화티타늄에서의 산소 결함과 전하 수명 간 관계 규명 연구, AI 생성 이미지(사진=KAIST)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120334387uslu.jpg" data-org-width="1280" dmcf-mid="8JpCTi3GsM" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120334387uslu.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 펨토초 X-선으로 본 이산화티타늄에서의 산소 결함과 전하 수명 간 관계 규명 연구, AI 생성 이미지(사진=KAIST) </figcaption> </figure> <div contents-hash="5902d41de7074b83fa19bef54f4b272cc48b2ddfc49c89319455c35b397aca5b" dmcf-pid="3LIgc9lwI7" dmcf-ptype="general"> <strong>재결합 2.5배 늦춰…촉매 반응도 향상</strong> </div> <p contents-hash="1904203b9ef23e8493db29390379c72d5edbdaa94b5f4c3536b7a0e20c0e733f" dmcf-pid="0oCak2Srsu" dmcf-ptype="general">블루 이산화티타늄의 전자는 약 1.5나노초에 걸쳐 깊은 포획 상태로 이동했다.</p> <p contents-hash="fc1564a350e3bc70e1c61c78a3ba5451464f6a256838eb01e07b40c54ff9d582" dmcf-pid="pghNEVvmIU" dmcf-ptype="general">이후 전자와 정공이 다시 만나는 재결합은 일반 이산화티타늄보다 약 2.5배 느리게 일어났다. 연구개요 기준 재결합 시간은 블루 이산화티타늄 약 110나노초, 일반 이산화티타늄 약 42나노초였다.</p> <p contents-hash="77e8ad694ea6f3e012bce1633bf2e1ee153d1b5191919d97433f8a07a2adc6ee" dmcf-pid="UaljDfTsOp" dmcf-ptype="general">실제 이산화탄소 광환원 실험에서도 차이가 나타났다. 블루 이산화티타늄은 일반 소재보다 일산화탄소 생성 속도가 약 25%, 메테인 생성 속도는 약 47% 높았다.</p> <p contents-hash="988283047c141f5c698bd280b48ab5e5c92b2e8f46e6cc998741852287814f01" dmcf-pid="uNSAw4yOs0" dmcf-ptype="general">연구팀은 산소 결함이 전자를 붙잡는 것뿐 아니라 주변 원자 배열 변화도 함께 일어나 전자를 안정적으로 유지하는 데 영향을 준 것으로 분석했다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="7279fda4a7dedc969d9acbc8bf8a85b72e5ca7f850220c295bc51a2b3f48e57d" dmcf-pid="7jvcr8WID3" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="연구개요 및 기대효과를 형상화한 AI 생성 이미지(사진=KAIST)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120335628zztk.jpg" data-org-width="1280" dmcf-mid="636UBhx2Ex" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/25/Edaily/20261025120335628zztk.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 연구개요 및 기대효과를 형상화한 AI 생성 이미지(사진=KAIST) </figcaption> </figure> <div contents-hash="c47e36020a71c6a682b763ed0b68685fba5303821e04a411c51aacf719bd5c41" dmcf-pid="zATkm6YCIF" dmcf-ptype="general"> <strong>1000조분의 1초 단위로 전자 추적</strong> </div> <p contents-hash="d965f8595d165766b4dbf6117d3c7ba1ac9dc469a3d0cfd5ad5afe891e63e8e0" dmcf-pid="qcyEsPGhOt" dmcf-ptype="general">이번 연구에는 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기 ‘엑스선 자유전자레이저’를 활용했다.</p> <p contents-hash="a388483c4aefdb6ee425d3e2832482e052070f797f4e37defe1e9fcad8807449" dmcf-pid="BisLjbCEE1" dmcf-ptype="general">연구팀은 매우 짧은 엑스선 펄스를 이용해 티타늄 원자 주변의 변화를 1000조분의 1초인 펨토초 단위로 추적했다. 여기에 빛 흡수 변화를 분석하는 광학 분광과 컴퓨터 계산을 결합해 전자가 이동하고 붙잡히는 과정을 펨토초부터 마이크로초까지 분석했다.</p> <p contents-hash="c11a2366443d18aa09c8ba69a2446276e5b67041b0645f0364903831351d9d46" dmcf-pid="bnOoAKhDs5" dmcf-ptype="general">연구팀은 이번 성과가 산소 결함의 양과 분포를 조절해 전자를 더 오래 유지하는 광촉매를 설계하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대했다.</p> <p contents-hash="f9ebdbebf856fa68611243f087c4338942e23136f1fb6cef8bb949e18bc08575" dmcf-pid="KLIgc9lwsZ" dmcf-ptype="general">태양광 수소 생산과 이산화탄소 전환, 오염물질 분해 등이 주요 응용 분야다. 다만 실제 촉매 성능을 높이기 위해서는 오래 살아남은 전자가 실제 화학반응에 얼마나 효과적으로 참여하는지 추가 연구가 필요하다.</p> <p contents-hash="29e4b68c0664c0c50f3961ae865d269345208e06f21cfcf37af67341302d60f9" dmcf-pid="9oCak2SrIX" dmcf-ptype="general">김태규 KAIST 교수는 “산소가 빠진 빈자리가 단순한 결함이 아니라 전자를 오래 유지하도록 돕는 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다”며 “소재의 미세 구조를 조절해 빛 에너지를 보다 효과적으로 활용하는 광촉매를 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.</p> <p contents-hash="211e8d01992c4f1ace398afd5e9f256f76a7cf96a3ad26e87f08ddace1bbfad3" dmcf-pid="2ghNEVvmmH" dmcf-ptype="general">연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society·JACS)’에 지난달 17일 온라인 게재됐다.</p> <p contents-hash="b678dfcb1eaa5dea4d3c0102ff2828841991c1b603997de5b2d5729558e4a0e2" dmcf-pid="ValjDfTsDG" dmcf-ptype="general">이소현 (atoz@edaily.co.kr) </p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 이데일리. 무단전재 및 재배포 금지.</p> 관련자료 이전 [2027 정기 인사] 4대 그룹 “미래 핵심 사업 전략 역량에 방점” 10-25 다음 탄화규소 반도체 불량 판별 기준 15년 만에 뒤집혔다 10-25 댓글 0 등록된 댓글이 없습니다. 로그인한 회원만 댓글 등록이 가능합니다.
