김정규 교수 연구팀, 플라즈모닉 나노구조체 기반 차세대 태양에너지 전환 기술 개발

- 고효율 광전극 소재 개발로 전자기장 증폭 통한 산화 반응 활성화

- 'Applied Catalysis B'에 게재…탄소중립 실현 위한 차세대 수전해 기술 제시

▲ (왼쪽부터) 교신저자 화학공학부 김정규 교수, 권석준 교수, 제1저자 화학공학과 석박통합과정 노승훈

화학공학부 김정규 교수 연구팀(제1저자 노승훈 석박통합과정)이 부산대학교 김지희 교수, 우리 대학 권석준 교수 연구팀과 공동으로, 금속산화물 반도체 전극에 플라즈모닉 나노구조체를 도입하여 태양광 기반 고효율 전기화학 에너지 전환 기술을 개발했다.

이번 연구에서는 클러스터 내부 및 클러스터 간 상호작용을 통해 전자기장을 효과적으로 증폭시키는 플라즈모닉 구조체를 설계하고, 이를 약 5nm 절연층으로 감싸 증폭된 에너지를 광전극에 전달함으로써 전하 수송 효율 및 광전압을 극대화하였다. 특히, 광전기화학적(PEC) 글리세롤 산화 반응을 활용해 고부가가치 화합물 생산을 실현하며, 저활성 산화 전극의 성능 문제를 해결할 수 있는 촉매 기술을 제시하였다.

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

플라즈모닉 구조체가 유도하는 전자기장 증폭 효과는 기존 광전극 소재가 가진 낮은 전기적 특성과 반응 활성도를 극복하는 핵심 기술로 평가된다. 연구팀은 순간 흡수 분광법, 켈빈 프로브 힘 현미경, 실시간 감쇠전반사-퓨리에 변환 적외선 분광법 분석을 통해, 광전극 내부에서 광생성 전하가 어떻게 이동하고 반응하는지를 체계적으로 분석함으로써, 소재 기반 전환 기술의 이론적 토대를 강화했다.

▲ 태양광 유도 전자기장을 증폭시키는 플라즈모닉 구조체를 도입한 산화물 반도체 전극 구현

수전해 기술은 친환경 대체에너지인 그린 수소 생산의 핵심이나, 산화 반응의 낮은 효율로 상용화에 어려움이 있었다. 이에 비해 이번에 개발된 c-Au/BVO 광전극은 물 산화 반응뿐 아니라 글리세롤 산화 반응에서도 탁월한 성능을 발휘해, 에너지 전환과 고부가가치 화학물질 생산을 동시에 실현할 수 있는 기반 기술로 주목받고 있다. 이는 향후 바이오디젤 산업과 수소 경제 분야에서 실질적 파급 효과를 기대할 수 있는 연구 성과로 평가된다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 및 선도연구센터 지원을 받아 수행되었으며, 환경공학 분야 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’(IF: 21.1)에 2025년 6월 15일자로 최종 승인되어, 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