나노기술 및 정책 정보

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TiO2는 이미 페인트, 선크림, 식품 첨가제 등 인류 생활과 밀접히 관련되어 있는 분야에서 널리 사용되고 있음. 통계에 따르면 2019년 글로벌 TiO2 소재 시장규모는 166.4억 달러에 달하며, 향후 5년간 복합 성장률은 7.6% 수준에 이를 것으로 전망됨.

하지만 이런 TiO2 소재는 거시적으로 주로 분말 형태로 사용되고 있기 때문에 호흡기를 통해 인체에 쉽게 유입되어 건강상의 위험을 초래하게 됨. EU는 2020년 2월 18일부터 “mixtures in powder form containing 1% or more of titanium dioxide which is in the form of or incorporated in particles with aerodynamic diameter ≤10 μm(1% 또는 그 이상의 이산화티타늄 분말 혼합물을 함유하고, 입자의 직경이 10μm 이하인 입자의 혼합된 형태)"를 2류 발암 물질로 분류하고 있음. 이런 나노 물질들은 재활용이 어려우며, 일단 환경에 방출되면, 자연계의 동식물에 생체독성을 일으킬 수 있음. 때문에 안전 계수가 높고 회수가 용이한 셀프 서포트 TiO2 재료 개발은 매우 도전적인 작업임.

최근 중국 둥화(東華, 동화) 대학교 방직 과학기술 혁신 센터 연구팀은 완전히 새로운 TiO2 본체 형식의 초경량, 고탄성 TiO2 나노섬유 에어로젤을 개발하였음. 연구팀은 유연한 TiO2 나노섬유를 기본으로 사용하고, 소량의 SiO2 용접제를 화학적 가교제로 사용하고, 냉동 성형(成形) 방법을 이용하여 TiO2 나노섬유의 특정 방향 조립을 실현하여 질서정연하고 성긴 구조를 가진 TiO2 나노섬유 에어로젤을 제조하였음. 제조된 나노섬유 에어로젤은 40%에 달하는 변형에서 명백한 소성변형을 보이지 않고 반복적으로 압축할 수 있으며, 우수한 동적 기계적 특성을 보임. 또한, 나노섬유 에어로젤은 매우 낮은 체(體)밀도(0.5 mg/cm3) 및 높은 다공성(>99%)을 가짐. 연구팀은 한층 더 리튬금속 환원을 통해 풍부한 산소 빈 공간 TiO2의 전자 구조를 효과적으로 제어하여 최대 38.2 mS/cm의 전도도를 얻을 수 있었음.

개념 증명으로서 연구팀은 나노섬유 에어로젤을 새로운 셀프 서포트 전기촉매로서 환경 질소 고정에 사용하여 우수한 전기 촉매 활성을 확인하였음. 또한 나노섬유 에어로젤은 산성, 알칼리성 및 중성 전해질 속에서 우수한 내구성을 보였음. 연구팀은 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 산소 빈 공간의 존재는 질소의 흡착과 활성화를 촉진시켜 전기촉매 활성을 향상시킨다는 점을 입증하였음.

연구팀이 개발한 고전도성, 초경량, 고탄성 TiO2 나노섬유 에어로젤은 전기촉매 분야뿐만 아니라 에너지 저장, 광촉매, 플렉시블 전자 디바이스 분야에서도 폭넓고 밝은 응용 전망을 가지고 있음.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie International Edition’ ("Conductive and Elastic TiO2 Nanofibrous Aerogels: A New Concept toward Self-Supported Electrocatalysts with Superior Activity and Durability") 지에 게재됨.