아주대학교 “나노픽스랩(NanofixLab)” (유성주 교수)

연구실 개요

나노픽스랩(NanofixLab)은 비균질 및 균질 촉매의 표면 또는 계면에서 발생하는 화학과정의 메커니즘과 분자동역학을 이해하고, 이를 제어하는데 중점을 둔다. 현재 주요 연구주제는 나노 수준에서 발생하는 빛과 물질의 상호작용 이해와 이를 이용한 지속가능한 화학기술 개발이며, 수소, 산소, 메탄, 이산화탄소, 메탄올 등과 같은 작은 분자 중심의 화학반응에 관심을 두고 있다. 마치 식물이 광합성 작용(i.e., 6CO2 + 6H2O + 광자 → C6H12O6 + 6O2)을 하듯 온실가스(e.g., 이산화탄소, 메탄)로부터 유용한 화합물을 만들기 위한 인공광합성 기술을 연구 개발한다. 그 외 수소에너지, 미세먼지 저감, 수처리 등 에너지와 환경 관련 주제를 다루며, 이 과정에서 화학반응 실험, 나노소재 합성 및 특성분석, 분광학, 이론계산 등의 연구를 병행한다(그림 1).

주요 연구내용 소개

1. 플라즈몬 화학 및 에너지전환 연구

금속 나노구조체는 특정 주파수 범위의 전자기복사선과 강한 상호작용을 하며, 이를 통해 표면에 국소적으로 편재된 전자들의 집합적 진동을 일으키고 나노구조체 주위에 전자기장을 형성한다. 이러한 특징을 국부 표면 플라즈몬 공명이라 하며, 금속의 촉매활성 특성과 결합하였을 때 작은 분자의 활성화 및 반응을 촉진한다(그림 2). 본 연구실은 플라즈몬 자유에너지가 금속과 분자의 상호작용에 미치는 영향과 그로 인해 촉진되는 화학반응 메커니즘 및 원리를 연구한다. 현재 플라즈모닉 광화학 분야에서 논란이 되고 있는 플라즈몬 구동방식 및 촉매작용 원리에 관한 연구를 진행 중이며, 기존 촉매작용의 발전과 더불어 신규 연구분야 창출을 기대한다.

2. 탄소 전환을 위한 저에너지 촉매기술 개발

메탄 또는 이산화탄소를 높은 에너지밀도의 또는 운송 가능한 액체연료(e.g., 알코올, 산 등)로 업그레이드하기 위한 새로운 개념의 촉매적 접근방식을 연구한다. 이산화탄소 분자의 활성화 단계에서 형성되는 반응중간체의 안정성(수명) 향상을 통해 C1+ 탄화수소를 합성할 수 있는 플라즈모닉 광합성 촉매시스템을 개발하였으며, 비선형적 반응속도 변화와 관련된 플라즈모닉 촉매작용의 화학포텐셜 이론모델을 개발하였다(그림 3). 실험적으로 관찰이 어려운 분자간 상호작용이나 빛-나노입자의 상호작용은 분광학과 이론연구를 병행한다. 주요 반응중간체의 결합에너지와 활성화에너지를 제어할 수 있는 실험적 변수를 찾음으로써 속도론적, 열역학적 관점에서 해당 반응을 효율적으로 촉진할 수 있는 소재와 시스템의 합리적인 설계방법을 제시한다.

3. 수소생산 촉매 및 촉진제 연구개발

겉보기 양자효율(apparent quantum yield)이 40%인 경우, 상용화 가능 수치인 STH(solar-to-hydrogen) 효율 > 10%를 만족하기 위해서는 이론적으로 700 nm 파장의 전자기복사선 에너지를 활용해야 한다. 이러한 관점에서 본 연구진은 그린수소 생산효율과 장시간 내구성을 개선하기 위한 입자형 촉매소재 및 시스템을 연구 개발한다(그림 4). 특히, 촉매 제조비용의 큰 비중을 차지하는 귀금속 사용량을 최소화하고, 벌크 촉매합성 가능성을 고려함으로써 그린수소 제조의 시장성을 갖춘 고효율 저가 수소생산기술 개발(그린수소 생산단가 절감)을 목표로 한다. 기존 촉매들의 활성을 보조하기 위한 촉진제 개발을 병행한다. 촉진제는 다양한 촉매소재와 반응시스템(e.g., 열/압력, 광, 전기, 광전기)에 범용적으로 첨가하여 수소생산을 촉진하는 역할을 한다. 촉매소재와 촉진제 연구를 통해 자외선-가시광선-근적외선 영역에 넓게 퍼져 있는 태양광 스펙트럼을 효과적으로 활용함으로써 기존 수소생산 효율을 향상시키고 촉매 제조비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

연구실 현황

나노픽스랩은 연구책임자인 유성주 교수를 비롯하여 박사후연구원 1명, 박사과정 1명, 석사과정 3명, 학부연구생 1명으로 총 7명으로 구성되어 있다(그림 5). Nat. Commun. (Editor’s Highlight & 2019 Top 50 Article), Angew. Chem. (Hot Paper), Angew. Chem. (Hot Topic), Nano Lett. (Front Cover & Thomson Reuters Highly Cited Top 1% Paper), ACS Energy Lett. (Most Read Article) 학술지 게재 및 선정 등 특허등록 2건, 기술이전 1건, 북챕터 1편, 아주대학교 연구상, 미원상사 신진과학자상 등을 수상하였다. 기타 자세한 사항은 연구실 홈페이지(www.nanofixlab.com)에서 확인할 수 있다.