화학공학부 김정규 교수 연구팀은 부산대 김지희 교수, 성균관대 권석준 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 금속산화물 반도체 전극 소재에 고도화된 플라즈모닉 나노구조체를 도입함으로서 전자기장 증폭을 유도하여 광수확 효율(light harvesting efficiency)을 개선시키고 전하의 재결합(charge recombination)을 크게 억제하여 태양광에너지에서 전기화학에너지로의 차세대 에너지전환 기술을 개발하였다.

김정규 교수 연구팀(제1저자 노승훈 석박통합과정)은 공동연구팀(부산대 김지희 교수, 성균관대 권석준 교수)과 함께 태양광에 반응하여 전자기장을 증폭시키는 참신한 플라즈모닉 구조체를 개발하여 광전극 소재의 산화 성능을 효과적으로 활성화하는 기술을 개발했다. 특히, 전자기장 증폭을 통한 광전압을 극대화함으로써 광전기화학적(Photoelectrochemical, PEC) 글리세롤 산화 반응의 활성화를 통해 고부가가치 화합물을 생산하는 촉매 기술을 제시하였다.

제로탄소, 친환경 대체연료로써 그린 수소를 생산하는 수전해 기술은 산화 전극에서의 낮은 활성도로 인해 전체 수전해 성능이 저해되는 이유로, 수전해 기술 실용화를 위해서는 산화 전극의 성능을 개선하는 기술의 개발이 필수적인 상황이다. 이에, 효율적인 산화 전극 구동을 위해 태양에너지를 활용하는 PEC반응을 도입하는 시도가 이어지고 있으나, PEC반응에 주로 활용되는 전이금속 기반의 광전극 소재의 낮은 전기적 특성과 아쉬운 표면 산화 반응 활성도로 인해 여전히 산화 전극 성능 개선에 어려움이 있는 상황이다.

이에 연구팀은 PEC가 태양에너지에 의해 구동된다는 점에 착안하여, 태양에너지로 구동 가능한 플라즈모닉 구조체를 도입함으로써 상승작용을 일으켜 효과적인 산화 전극의 반응을 개선함과 동시에 태양에너지의 화학에너지 전환을 실현하였다. 연구팀은 광전극 소재 내부에 형성된 전자기장이 성능과 밀접한 연관을 갖는것을 활용해, 클러스터-내부 및 클러스터-클러스터 상호작용으로 전자기장의 증폭을 유도하는 참신한 플라즈모닉 구조체를 설계하였다. 특히, 약 5 nm 두께의 절연층으로 플라즈모닉 구조체를 감싸, 증폭된 전자기장의 에너지를 광전극으로 전달하는 메커니즘을 활용하여 광전극 소재의 전하 수송 효율을 개선시키고 광전압을 극대화 시켰으며 표면 전하 전달 성능을 향상시켰다. 이에따라, 개발된 광전극 촉매(c-Au/BVO)는 개선된 물 산화 성능은 물론, 고활성의 글리세롤 산화 반응을 보여 고부가가치 화합물을 생산 하였다. 연구팀은 순간 흡수 분광법(Transient absorption spectroscopy), 켈빈 프로브 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy), 실시간 감쇠전반사-퓨리에 변환 적외선 분광법 분석을 통해 플라즈모닉 구조체 도입에 따른 광생성 전하의 거동을 규명하고 이에 따른 산화 반응 개선 메커니즘을 제시하였다.

이번 연구는 수전해 기술 실용화의 큰 난관인 산화반응의 효과적인 개선과 동시에 바이오디젤 산업의 경제성을 높일 수 있는 태양에너지-화학에너지 전환 기술을 제시함으로써, 지속가능한 탄소 중립 사회로의 전환에 크게 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구-중견연구(NRF-2022R1A2C1011559), 집단연구지원사업-선도연구센터(RS-2024-00405818)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 연구의 우수성을 인정받아 환경공학 분야 세계 최고(상위1%)의 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ 저널(IF:21.1) 에 2025년 6월 16일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Plasmon Induced Field Amplification for Enhancing Photoelectrochemical Oxidative Valorization
※ 학술지: Applied Catalysis B: Environment and Energy
※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125600

전자기장을 증폭하는 플라즈모닉 구조체 도입을 통한 고활성 태양광-화학에너지 전환 기술

태양광 유도 전자기장을 증폭시키는 플라즈모닉 구조체를 도입한 산화물 반도체 전극 구현

빛 에너지 유도 전자기장을 플라즈모닉 구조체가 증폭시켜 광-전기화학 에너지변환 성능 개선

(공동교신저자) 성균관대학교 화학공학부 권석준 교수

(제1저자) 성균관대 화학공학과 석박통합과정 노승훈