나노기술 및 정책 정보

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● 서울과학기술대학교의 이영인 교수 연구팀이 환경정화용 압전촉매로 사용할 수 있는, 표면에 산소 결함이 형성된 ‘타이타늄산바륨(BaTiO3) 나노입자’를 개발

● 압전촉매는 주변에 버려지는 다양한 기계적 에너지를 받아들여 전기화학적 에너지로 변환하는 장점이 있으나, 물 흐름과 같이 적은 에너지 수준에서는 촉매 특성이 낮아 초음파와 같이 높은 에너지를 일부러 가해야 한다는 단점을 보유

● 이에 연구팀은 제어된 양의 산소 결함을 도입한 표면과 우수한 결정성의 중심부로 구성된 ‘검은색 타이타늄산바륨 나노입자’를 설계, 합성

● 나노입자 중심부의 우수한 결정성은 촉매 작용에 참여하는 전자에 높은 에너지를 부여하며, 표면에 형성된 산소 결함은 촉매 반응에 참여하는 전자의 농도를 크게 증가

● 또한, 개발한 검은색 타이타늄산바륨 나노입자는 물 흐름에 의해 발생하는 적은 에너지만으로도 압전촉매 반응을 유도하여 비스페놀 A(내분비 교란물질)와 로다민 B(독성을 가진 염료) 등으로 오염된 물을 성공적으로 정화

● 개발한 소재는 기존 흰색 타이타늄산바륨 나노입자와 비교하여 약 4.3배 증가한 오염물질 제거 성능을 보유하고 있으며, 정화 과정을 반복하여도 제거 성능을 유지하여 유체의 흐름과 같이 낮은 에너지로 작동하는 압전촉매 중 최고 수준을 나타냄

● 해당 기술은 압전촉매 작용을 위한 에너지원이 초음파에 국한된 기존 한계를 극복할 수 있는 기술이며, 파도나 물의 흐름, 바람, 진동 및 음파 등의 다양한 기계적 에너지를 수확하여 대기 및 수자원 정화 기술 발전에 이바지할 것으로 전망

● 다만, 압전촉매 자체가 또 다른 오염물질로 작용할 수 있기 때문에, 실용화를 위해서는 활용된 입자를 제거 또는 지지체에 고정하는 기술 등에 관한 지속적인 연구가 필요

※ 용어설명

- 타이타늄산바륨(barium titanate) : 강유전성과 압전성을 나타내는 소재

- 압전 촉매(piezocatalysis) : 재료의 변형 상태에서 분극에 의해 유도된 압전 전위를 이용하여 표면에서 전기화학반응이 가능한 소재. 즉 기계적 에너지를 전기화학적 에너지로 변환하여 주변 물질을 산화 또는 환원시킬 수 있는 소재

- 산소 결함(oxygen vacancy) : 일정한 비율의 금속 원자와 산소 원자로 만들어진 재료(산화물 재료)에서 산소 원자가 제거되어 생긴 빈자리

※ Nano Energy 게재(2022.01.29.), “Synthesis of self-modified black BaTiO3-x nanoparticles and effect of oxygen vacancy for the expansion of piezocatalytic aaplication”

※ 교육부, 한국연구재단(기본연구사업) 지원