이산화티타늄 나노입자 산소결함 위치에 따른 광촉매 활성도 규명  

                                 이산화티타늄의 나노입자의 산소 결함 위치에 따른 전자-정공의 재결합 속도 변화를 양자계산을 통해 규명 

                                                                                                                                                                                화학과이진용  교수 · 남연식 연구원 

자연과학대학 화학과 이진용 교수 연구팀은 미국 University of Sothern California대학교 Prezhdo 교수 연구팀과 공동으로 이산화티타늄의 나노입자의 산소 결함 위치에 따른 전자-정공의 재결합 속도 변화를 양자계산을 통해 규명하여, 물리화학분야 저명한 국제학술지인 ‘Journal of Physical Chemistry Letters (IF=8.709, 물리, 원자, 분자 및 화학분야 JCR 상위 6.76 % 저널)’에 논문이 2019년 5월 10일 자에 온라인으로 게재되었다. 

이산화티타늄은 광촉매 소재의 원료 물질로서 학계 및 산업계에서 가장 많이 활용되고 있고, 통상 광촉매의 흡광 효율을 높이기 위하여 산소결함을 생성하여 사용하고 있다. 그러나 산소결함이 오히려 광촉매 효율을 저하시키는 모순적인 실험결과들이 알려지고 있다.  현재까지 이를 규명하려는 시도가 이루어져 왔지만, 실험적으로 산소결함의 농도 및 위치를 완벽하게 제어하는 것이 어렵고, 실험조건으로 인해 발생하는 이산화티타늄 나노입자 샘플의 불균일성으로 인해 지금까지 산소 결함의 효과에 대한 이해가 부족했다. 이진용 교수 연구팀은 양자계산을 활용해 표면에 생성된 산소결함은 전자-정공 재결합 속도를 촉진시켜 촉매 활성도가 감소하는 반면에 나노입자 내부에 생성된 산소결함은 재결합 속도를 늦춰 광촉매 효율을 높일 수 있음을 최초로 규명하였다. 이는 산소 결함을 갖는 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 실험 결과들을 통합적으로 이해하는데 기여하고 광촉매 효율 향상을 위한 새로운 가이드 라인을 제시한다는 점에서 연구의 가치가 있다. 이러한 연구는 양자점의 들뜬상태 동역학에 대한 이해가 필요한 QLED 소재 개발에도 중요한 부분이다.

이번 연구를 주도한 성균관대 이진용 교수는 “본 연구가 이론적 예측 결과이지만 실제 실험 연구에서 보고되는 모순되는 결과들에 대한 이론적인 설명을 제공하고 있으며 우리가 최초로 규명한 산소 결함의 위치에 따른 전자-정공 재결합 속도 변화는 실제 실험에서 산소결함을 가진 이산화티타늄 샘플에 따라 변하는 광촉매 효율의 차이를 이해하는데 매우 유용한 기초 정보가 될 수 있을 것“ 이라고 전했다. 또한 “순수 이론 연구만으로 우수한 저널에 논문을 발표하는 것이 갈수록 힘들지만, 실험이 불가능한 영역에서 지속적인 노력을 통해 실험이 도전할 수 있는 근거를 제공하는 역할을 해야만 한다”라고 강조한다. 

이 연구는 논문의 제 1저자인 남연식 박사과정 학생은 2016년 GPF에 선정되었고, 2017년에는 포스코청암펠로우에 선정되었으며 2019년 2학기에 박사학위를 마치고 UC, Irvine에서 박사후연구원으로 펨토초-아토초에서 일어나는 빠른 분자동역학 현상에 대한 새로운 연구를 개척하여, 미래에 교수가 되어 연구를 지속하는 꿈을 갖고 있다. 

*논문명: Strong Influence of Oxygen Vacancy Location on Charge Carrier Losses in Reduced TiO2 Nanoparticles