공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 자성과 광촉매 특성을 동시에 갖춘 다성분 메조결정 나노입자를 개발하여 높은 효율로 오염수에 존재하는 난분해성 유기오염물질을 분해하고 재사용할 수 있음을 확인했다.
* 메조결정(mesocrystal) : 아주 작은 단위결정들이 모여 큰 크기를 이루는 결정 구조를 의미함. 기존에는 단위결정의 특성과 단위결정 사이의 상호작용에 관한 연구가 관심을 받고 있었으나, 지금까지 보고된 메조결정은 대부분 한 종류의 결정으로만 이루어져 그 응용분야가 한정되었음.
오염수에는 쉽게 분해되지 않는 플라스틱 첨가제, 살충제, 살균제를 포함한 유기오염물질이 많이 존재하고 있다. 이러한 오염물질을 효과적으로 제거하기 위하여 오존 산화, 과산화수소 광분해, 펜톤(Fenton) 산화기술 등에 관한 연구가 진행됐다. 그러나, 높은 제조 및 처리비용, 수용액에서의 응집, 사용한 촉매의 분리와 재사용의 어려움으로 한계가 있었다.
연구진은 산화철(Fe3O4) 메조결정에 폴리아크릴레이트 (polyacrylate)를 코팅하여 고분자 중합 유도 성장을 이용하여 산화철(Fe3O4), 아연페라이트(ZnFe2O4), 산화아연(ZnO) 세 가지 종류의 단위결정으로 구성된 다성분 메조결정 나노입자를 합성했다.
* 폴리아크릴레이트 : 아크릴산이 중합된 고분자로 나노결정 표면에 붙어 금속 이온을 흡착하고, 뛰어난 수용액 분산성을 제공함
다성분 메조결정 나노입자는 자외선이 아닌 가시광선을 흡수하여 과산화수소(H2O2)를 수산화 라디칼(ˑOH)로 분해하여 유기오염물질 모델로 사용된 메틸렌 블루(Methylene Blue)분자를 1시간 내에 모두 분해하는 특성을 보였다. 다성분 메조결정 나노입자는 선행연구에서 사용된 촉매소재 대비 20분의 1 낮은 농도에서 비슷하거나 더 뛰어난 특성을 보이며, 자기장으로 회수하여 5회 재사용하는 과정에서 광촉매 특성과 분산 안정성이 유지됨을 확인했다.
* 광-펜톤(photo-Fenton) 반응: 철 이온이 존재하면 과산화수소의 분해가 촉진되어 수산화 라디칼을 형성하는 반응을 펜톤 반응이라고 하는데, 보통 촉매로 사용되는 Fe2+이온이 사용되어 Fe3+ 이온이 되면 반응이 일어나지 않아 광 여기 전자를 이용하여 Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 환원시켜 펜톤 반응보다 지속적이고 더 높은 처리효율을 가짐
* 수산화 라디칼: 수산화이온(OH-)의 중성형태로 활성산소종 중 가장 반응성이 높고 산화력이 강해 난분해성 유기오염물질을 분해함
연구팀은 “다성분 메조결정 나노입자는 태양광을 이용한 광촉매 활성과 자기장으로 회수한 이후에도 오염수에 쉽게 분산되는 성질을 가지고 있어 대량의 오염수를 동시에 처리하고 재활용할 수 있으며, 기존 사용되는 촉매들의 한계점으로 지적되는 높은 제조 및 처리비용, 사용한 촉매의 분리 및 2차 오염의 문제를 해결할 가능성이 있다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 산업통상자원부 핵심소재부품기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 나노기술 분야 국제학술지인 스몰(Small)에 현지시간 12월 22일자 표지 논문으로 게재됐다.
출처: "고대뉴스, 2020년 12월 24일,
고대소식|고대뉴스|연구
연구창의적 미래 인재 양성, 세계를 변화시키는 대학 인쇄하기 글자크기 확대 축소
www.korea.ac.kr
Multi-Component Mesocrystalline Nanoparticles with Enhanced Photocatalytic Activity
Small 16, 2004696 (2020)
[DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202004696]
Mesocrystals, consisting of small subunits, have gained research interests owing to their ability to simultaneously modify material-specific properties and interactions among subunits. However, despite these unique characteristics, most mesocrystals are composed of a single material, and there is a disjunction between academic discovery and practical application. In this study, the synthesis of multi-component mesocrystalline nanoparticles composed of Fe3O4, ZnFe2O4, and ZnO subunits using a polymerization induced heterogeneous nucleation method is reported. The structure has small ZnFe2O4 and ZnO nanocrystals covering the Fe3O4 crystallites. It exhibits not only magnetic and catalytic properties determined by the size of each subunit nanocrystal, but also enhances photocatalytic and colloidal properties that originates because of its crowded arrangement. The magnetically recoverable catalysts exhibit remarkable photodegradation of organic molecules under the irradiation of visible light for 1 h; thus, improving its applicability in purifying a large amount of wastewater during the daytime.