효능의 손실없이 반복해서 재사용이 가능한 귀금속 나노촉매가 국내 연구진에 의해 개발되어 환경오염을 줄이고, 나노소재의 실용화 가능성이 높아져 막대한 경제적 효과를 나타낼 것으로 기대된다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 분자인식연구센터 우경자 박사팀과 특성분석센터 안재평 박사가 공동으로 수행한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술개발사업 및 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며 20일, 세계 최고 권위의 과학저널 네이처(Nature)의 자매지인 ‘Scientific Reports’ 에 게재되었다. 

나노소재기술이 발전하면서 이러한 나노소재의 기능과 더불어 이를 실용화하는 기술에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 

하지만 지금까지 나노소재, 특히 나노촉매를 실용화하는데 있어서 가장 큰 걸림돌은 높은 표면 에너지로 인해 나노입자들이 서로 엉겨 붙어 기능적 특성을 상실한다는 점과, 사용 중 유실되거나 사용 후 폐기된 촉매로 인해 환경오염이 야기된다는 것이다. 따라서 전 세계 연구자들은 이를 해결하기 위해 친환경적인 나노촉매 물질을 집중적으로 개발해왔다.

이 문제들을 동시에 해결하는 방법이 나노소재를 마이크론소재에 접목시켜 복합소재로 만드는 것이다. 자성을 갖는 마이크론소재에 나노소재를 접목하면 회수와 재사용이 용이해지기 때문이다.

이전에는 주로 흡착이나 배위결합에 의해 복합소재를 제조해온 관계로 거친 반응 환경에서 나노소재가 복합체로부터 떨어져나가는 문제를 해결하지 못했다.

배위결합은 한쪽의 원자에서 제공된 전자쌍을 두 개의 원자가 공유함으로써 생기는 화학 결합이다.

우경자 박사 연구팀은 자성이 있는 마이크론 크기의 소재에 핵과 핵을 떠받치는 기둥을 함께 감싸는 견고한 3차원 구조로 고정된 복합소재를 개발하였다.

나노소재들을 자성 마이크론소재에 접목시켜 복합소재를 만드는데 있어서 가장 관건이 되는 점은 두 가지 소재를 견고하게 결합하여 떨어지지 않게 하는 것이다.

연구팀은 공 모양의 자성을 가진 마이크론소재 표면에 많은 수의 팔을 만들고, 팔 끝에 금으로 된 핵(1~2 nm)을 매단 후, 이 핵들을 적정 크기(2~3 nm)로 뭉쳐서 일정 간격으로 재배치하였다.

이후 재배치된 핵 뭉치와 이를 받치고 있는 팔을 함께 감싸도록 은 성분을 도포함으로써 견고하게 고정된 3차원 구조의 복합소재를 완성하였다.

고정된 나노입자들의 최종 크기는 3nm에서 20nm까지 제어가 가능하며, 핵과 도포 물질이 서로 다른 성분으로 구성되어 있어 촉매의 효능이 더욱 우수한 것으로 밝혀졌다.

이번에 개발된 나노 금/은(속/겉) 복합소재를 촉매 실험에 적용하고 다섯 번을 회수하여 재사용한 결과 나노촉매의 효과가 변함없이 뛰어난 것을 확인하였으며, 이후에도 지속적으로 재사용이 가능할 것으로 예측되었다.

또한 이 복합소재는 박테리아와 바이러스 제거에도 효과가 뛰어난 것으로 밝혀져 그린 환경을 구축하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

이번 성과는 기초원천 물질과 그 형성 매커니즘을 밝혀낸 것으로, 다른 종류의 귀금속 복합소재에도 확장이 가능하며 산업적 응용성이 높아서 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있다.

우경자 박사는 “이번 연구를 통해 새로운 구조의 나노복합소재와 생성 매커니즘을 개발해 원천기술 확보 및 산업화의 가능성을 열었다”고 연구의의를 밝혔다. 

출처 | 교육과학기술부