총설에 부쳐-고효율 광촉매 소재 개발 (2025년 5월호)

광에너지를 전기에너지 또는 유용한 에너지원으로 바꿀수 있는 광촉매 활용 기술은 1972년 일본 과학자에 의해 처음 밝혀졌습니다. 이들은 이산화티탄 전극에 밴드갭 이상의 광에너지를 조사하면 전극 표면에서 기포가 생성됨을 관찰하였고, 이에 대한 연구 결과를 네이처 저널에 보고하면서 광촉매 기술이 세상에 널리 알려지게 되었습니다. 최근 광촉매 기술은 태양에너지를 이용하여 물 분해 반응을 유도함으로써 그린 수소를 생산하거나, 이산화탄소를 유용한 에너지원으로 전환하는 연구와 함께 환경오염물질 분해 및 자정 기능 소재 등 다양한 응용 분야로 확장되고 있습니다. 또한, 공기청정기 필터에 광촉매가 포함되거나 새집증후군 제거 물질로 광촉매 코팅제가 사용되는 등 생활 제품군에서도 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 이처럼 다양한 분야로 활용될 수 있는 광촉매 소재의 에너지 및 환경 분야 응용을 위해 연구자들은 광촉매 소재의 특성 향상 및 반응 메커니즘 규명을 위한 분석 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 

이러한 배경에서, 광촉매 소재 개발 및 반응 메커니즘 규명에 대한 연구를 활발히 수행하고 계신 국내 연구자 네 분께 최근 광촉매 소재 개발 및 메커니즘 규명을 위한 분석 연구 동향을 알아볼 수 있는 총설 집필을 부탁드렸습니다. 이 시리즈는 5월부터 세 달간 연이어 발표될 예정이며, 각 연구자가 맡은 분야의 최신 연구 동향 및 수행하고 계신 연구 내용을 소개할 예정입니다. 

이 시리즈 중 첫 번째 총설은 아주대학교 유성주 교수님께서 집필하시며, 금속 나노입자의 표면 플라스몬 공명과 촉매 작용을 다룰 예정입니다. 유 교수님은 플라스몬 공명이 전자를 활성화하고 화학 반응을 촉진하는 원리와 금속-분자 간 상호작용과 계면에서의 전자 이동 메커니즘을 소개할 예정입니다. 또한, 전자의 수명 연장과 반응 선택성 최적화를 위한 최신 연구 동향도 다룰 예정입니다. 

두 번째 총설은 건국대학교 김연호 교수님께서 집필하시며, 금속 산화물 반도체 기반 광촉매 소재의 개발 동향 및 응용 연구를 다룰 예정입니다. 김 교수님은 금속 산화물 내 금속 또는 산소 결함을 인위적으로 만들어내고 결함 자리에 금속을 원자 단위로 채워 넣어 광흡수 특성과 광활성이 증대된 나노 복합구조체를 개발하는 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 이러한 복합구조체를 이용하여 그린 수소 생산 분야에 적용하는 연구와 광촉매 반응 중 전해질 내 화학종을 활용한 복합구조체 제조 전략과 광활성을 증대시키는 방법에 대해서도 소개할 예정입니다. 

이번 시리즈의 마지막 총설에서는 공주대학교 김홍기 교수님과 강원대학교 강경원 교수님께서 공동 집필하시며, 플라즈모닉스 나노 구조를 이용한 광촉매에 대해 다룰 예정입니다. 이 총설에서는 금이나 은과 같이 가시광선 영역에서 높은 광학적 활성도를 보이는 금속이 나노 수준의 크기에서 광촉매로써 어떠한 기능을 하는지에 대해 기초적 메커니즘을 소개할 예정입니다. 특히, 초고해상도 표면 분광법을 이용하여 단일 나노입자 수준에서 1나노미터 미만의 작은 간극에서 일어나는 촉매 반응과 관련 연구 동향을 소개해 주실 예정입니다. 

이번 총설 시리즈를 통해 화학세계 구독자 여러분께 반도체 및 금속 기반 광촉매의 반응 원리와 최신 연구 동향에 대한 이해 돕고, 소재 개발과 분석 연구의 중요성을 널리 알리고자 합니다. 광흡수 효율 및 광활성이 극대화된 광촉매 소재가 개발되어 인류가 직면한 에너지 및 환경 문제 해결에 기여할 수 있기를 바랍니다. 

김연호 Yeonho Kim

• 숭실대학교 화학과 학사(2003.3 - 2010.2) 

• 서울대학교 화학부 박사(2010.3 - 2015.8) 

• 삼성전자 반도체연구소 책임연구원(2015.9 - 2015.10) 

• 한국기초과학지원연구원 박사후연구원(2015.11 - 2019.12) 

• 인천대학교 기초과학연구소 조교수(2020.1 - 2021.8) 

• 건국대학교 에너지신소재공학과 조교수(2021.9 - 현재)