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| 메인 제목 | Hot Electron-driven Photoelectrical Chemistry on AuPd work was publicized |
| 메인 소개 내용 | Hot Electron-driven Photoelectrical Chemistry on AuPd work was publicized |
서울시립대-KAIST, 플라즈모닉 핫전하 활용 극대화로 차세대 물 분해 촉매 기술 개발 [교수신문, 2025/09/24]
서울시립대·KAIST 공동연구, 차세대 친환경 광전기화학 촉매 기술 개발 [이뉴스투데이, 2025/09/24]
서울시립대학교(총장 원용걸) 신소재공학과 이효선 교수 연구팀이 KAIST 화학과 박정영·이효철 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 "태양광을 활용한 차세대 친환경 광전기화학 촉매 기술을 개발했다"고 24일 밝혔다.
연구팀은 플라즈모닉 금속의 핫전하(hot carrier) 활용도를 극대화하기 위해 금-팔라듐(Au@Pd) ‘안테나-리액터(antenna-reactor)’ 구조의 코어-쉘 나노입자를 제작, 팔라듐(Pd) 쉘을 원자층 수준으로 정밀하게 제어해 반응성을 체계적으로 비교·분석했다. Au 코어는 가시광선을 효과적으로 흡수해 플라즈모닉 핫전하를 생성하는 ‘안테나’ 역할을, Pd 쉘은 이를 빠르게 표면으로 이동시켜 화학 반응에 참여시키는 ‘리액터’ 역할을 수행한다.
이를 이산화티타늄(TiO₂) 나노튜브 전극과 결합한 결과, 핫전자가 금속 입자와 나노튜브로 빠르게 이동해 수소 발생 반응에 참여하고, Pd 표면에 남은 고밀도 핫정공(hot hole)이 산소 발생 반응을 촉진해 반응 효율을 크게 향상시켰다.
특히 나노입자와 나노튜브 계면에 형성된 쇼트키 배리어(Schottky barrier)가 핫전하 재결합을 억제해 손실을 최소화한 것으로 나타났다. 연구팀은 초고속 레이저 분광(femtosecond transient absorption spectroscopy)으로 펨토초 단위의 핫전하 다이내믹스를 직접 관찰해 Pd 쉘의 피복 정도가 커질수록 Au 코어에서 생성된 플라즈몬 유도 핫전자 및 핫정공의 이동이 빨라지고 재결합 손실이 줄어드는 핵심 메커니즘을 규명했다.
이효선 교수는 “플라즈모닉 안테나-리액터 구조를 원자층 단위에서 정밀 제어해 핫전하 다이내믹스를 조절하는 새로운 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 플라즈모닉 금속 기반 구조 최적화를 통해 청정 수소 생산과 이산화탄소 전환 등 다양한 에너지·환경 분야에 응용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구에는 KAIST 화학과 박혜원 학생, 서울시립대 신소재공학과 천승현 학생, KAIST 화학과 이정훈 학생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 미국화학회 학술지 ‘JACS(Journal of the American Chemical Society)’ 9월 17일 자에 게재됐다.
논문 제목은 ‘Impact of Hot Carrier Dynamics on Photoelectrocatalytic Activity on Au@Pd Antenna-Reactor Nanoparticles’(DOI: 10.1021/jacs.5c12825)이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 기초과학연구원, 서울시립대학교의 지원으로 수행됐다.
