버려지던 태양광 에너지 찰나에 잡았다… UNIST, 친환경 수소 대량생산 길 열어

찰나에 식어버리는 ‘핫 전자’ 에너지, 망간 거쳐 화학반응에 쓴다

망간 초고속 스핀 교환…광환원 반응 규명, Nat. Commun.게재

태양광을 받은 반도체에서 발생하자마자 사라지던 '핫 전자'를 잡아채 에너지 전환 효율을 10배 뛰어넘는 기술이 개발됐다.

UNIST 진호 교수팀이 양자점에 망간을 집어넣어 완성한 이 기술은 향후 수소 생산과 탄소 포집 생태계를 흔들 Game Changer로 평가받는다.

UNIST 진호 교수.

그동안 학계와 산업계는 태양광을 활용한 광촉매 반응의 한계에 부딪혀 있었다. 반도체 양자점이 빛을 받아 뿜어내는 '핫 전자'의 에너지가 너무나 압도적이지만, 불과 수조분의 1초 만에 식어버려 정작 화학반응에 쓰지 못했기 때문이다. 반도체와 반응 분자의 에너지 수준이 조금만 맞지 않아도 전자 전달은 번번이 실패했다.

UNIST 화학과 진호 교수와 미국 로스앨러모스국립연구소 빅터 클리모프 박사팀은 양자점 안에 자성을 가진 '망간'을 이식하는 수를 뒀다.

결과는 대성공이었다. 망간 이온은 핫 전자의 여분 에너지를 '스핀 교환'이라는 물리학적 현상으로 즉시 낚아챘다.

에너지를 넘겨받은 전자는 열로 방출되는 대신, 광환원 반응 분자로 즉각 뛰어들었다. 연구팀이 펨토초 레이저 추적 기술로 확인한 결과, 전자 전달 속도는 기존 촉매 방식보다 10배 이상 치솟았다.

이번 성과는 저명 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 최신호로 알렸다.

진호 교수는 "에너지 준위가 맞지 않아 무용지물이던 조건에서도 스핀 교환을 이용하면 핫 전자의 에너지를 끌어 써 반응을 터뜨릴 수 있다는 점을 세계 최초로 증명했다. 태양광 수소 생산과 이산화탄소 자원화 등 차세대 고효율 광촉매를 설계하는 데 결정적 이정표가 될 것"이라고 말했다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr