DGIST(총장 국양) 화학물리학과 서대하 교수 연구팀은 나노촉매에서 일어나는 복잡한 화학반응 속에서 전자의 전이 및 전달을 조절하고 관찰할 수 있는 광학현미경 기술을 개발했다.이 기술은 광촉매를 단일 입자 수준에서 정밀 연구하기 위한 새로운 실험 전략인 *시스템 화학 실험 전략을 제공할 것으로 기대된다.*시스템화학 : 서로 다른 화학반응을 각각 하나의 시스템으로 보고 상호작용하는 네트워크를 연구하는 것을 의미한다.
금과 같은 나노미터 수준의 플라즈마 금속은 가시광선 영역 중 넓은 곳에서 빛의 흡수율이 높고 반도체 광촉매와 결합해 광흡수율을 높이는 매개체 역할을 하게 된다.빛의 흡수를 통한 반응으로 전자가 에너지를 얻어 이동하는 들뜸 현상이 발생하며 금속의 크기, 빛의 파장 등에 따라 다양한 경로를 통해 나타나게 된다. 이러한 전자의 이동이 촉매로서 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 다양한 가설이 존재하는데, 연구팀에서는 기존처럼 화학반응을 관찰하는 방법보다 실험적으로 쉽고 정교한 현미경을 새롭게 개발해 해당 가설에 대한 검증과 나아가 전자의 전이 방식의 모습도 밝혀낼 수 있었다.
서대하 교수 연구팀은 혼성 나노입자(예를 들어 금과 산화동을 합친 ‘금·산화동’)와 각각 다른 파장(색상)의 레이저(예를 들어 레이저 A, B, C를 A+B, A+C… A+B+C)를 각각 새로운 형태로 조합해 서로 이들 사이의 반응을 조사하는 방식으로 전자 들뜸 현상에 대한 다양한 가설을 실험을 통해 정교하게 수행해 하나씩 검증했다.
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이를 통해 금 나노입자로 전자여기를 선택적으로 유도할 수 있었고, 그에 따른 촉매의 반응성 증가를 평가하여 기여도를 정량적으로 분석할 수 있었다. 또한 이들 들뜬 전자는 반도체로 전달되어 안정성과 반응성을 동시에 증가시키는 것을 확인하였다.
단입자 수준에서 촉매 활성을 평가하기 위한 전략의 모식도조합 합성 및 들뜸 전략과 흡착 후 활성 전략을 사용하여 전자 들뜸 경로별 촉매 활성에 대한 기여도를 정량적으로 분석할 수 있다.DGIST화학물리학과 서대하교수의연구결과문답,이번성과는무엇이다릅니까?이번 성과는 복잡한 화학반응에서 관찰하고자 하는 반응단계만 정량적으로 관찰할 수 있다는 점입니다.종래의 촉매 평가 방법은 고진공, 고전압에서 이루어지며 실제 반응 조건과 다르거나 앙상블 평균 정보를 측정하기 때문에 촉매 내에서 발생하는 각각의 전자 또는 에너지 전달을 정확하게 관찰하기 어렵습니다.본 성과는 다양한 변수를 제거하고 촉매의 활성을 선택적으로 조절하여 기존에 관찰할 수 없었던 전자 여기 경로를 통한 기여도 정량에 성공하였습니다. 어디에 사용할 수 있나요?불균일 나노 촉매를 단일 입자 또는 분자 수준에서 평가하기 위한 연구에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 전자 전달 메커니즘을 제안함으로써 새로운 관점에서의 광촉매 설계의 기반이 될 것으로 기대됩니다. 실용화까지 필요한 시간과 과제는 무엇입니까?본 기술의 가장 큰 장점은 전반사 형광현미경으로 바로 사용할 수 있기 때문에 실험실 수준에서의 구현은 바로 가능합니다. 관찰하고자 하는 반응이나 물질의 조합을 평가하기 위해 나노입자를 설계하는 것이 선행되면 본 전략은 높은 범용성을 가질 것으로 기대됩니다. 연구를 시작하게 된 계기는 무엇입니까?세계적으로 에너지 문제가 대두되면서 친환경 에너지를 생산하는 광촉매의 효율을 높일 수 있는 방법은 무엇일까? 라는 근본적인 질문에서 본 연구가 시작되었습니다. 그 과정에서 플라즈모닉 금속은 전자 또는 에너지 전달로 반도체 기반 광촉매의 효율을 높일 수 있음을 문헌을 통해 알게 되었습니다. 이후 금속 나노입자로부터 전자 또는 에너지 전달 경로에 따른 기여도를 정량적으로 분석할 수 있을까 하는 의문과 기존 시스템을 보완할 방법에 대한 호기심에서 비롯됐습니다. 어떤 의미가 있나요?종래의 촉매 활성 평가 방법은 복잡한 단계를 모두 포함하여 측정하기 때문에 촉매의 활성이 전자 전달에만 의한 것인지 단정하기 어렵습니다. 또한 다양한 전자 전달 경로가 제안되었습니다. 본 연구는 복잡한 요소를 배제하고 각 전자 여기와 효율 향상의 관계를 정량적으로 수치화하는 연구이며, 이는 향후 촉매 활성 평가 및 설계의 초석이 될 것으로 생각합니다. 꼭 이루고 싶은 목표는 무엇입니까?광촉매 반응뿐만 아니라 앙상블-평균 측정으로 관찰이 어려운 다양한 화학반응을 단입자 또는 단분자 수준에서 관찰하는 방법을 개발·분석하여 불균일 촉매 발전에 기여하고자 합니다.#광학현미경 #실험전략 #전자 #나노촉매 #화학반응 #전자전이 #단일입자 #나노입자#연구#화학#물리학#디지스트#DGIST#대구경북과학기술원