美 연구팀 함께 양자점 망간의 초고속 스핀 교환 기반 광환원 반응 규명

빛을 받은 반도체에는 여분의 에너지를 품은 '핫 전자(hot electron)'가 생긴다. 일반 전자로는 도달하기 어려운 화학반응을 일으킬 수 있지만 몇 조분의 1초 만에 식어버려 활용이 어려웠는데, 국제공동연구팀이 반도체 나노입자에 망간을 넣어 이 에너지를 화학반응에 쓰는 방법을 찾아냈다.

 

 

양자점 표면에 전자를 받으면 환원되는 메틸비올로젠 분자를 붙이고, 망간을 넣은 양자점과 넣지 않은 양자점을 비교해 본 결과, 망간을 넣은 양자점에서는 전자 전달 속도가 기존보다 10배 이상 빨라졌다. 스핀 교환이 전자가 반응 분자로 넘어가는 빠른 통로로 작용했다는 뜻이다.

또 이 스핀 교환이 핫 전자의 에너지에서 비롯된 것인지 검증하기 위해서는 크기가 큰 양자점에 고에너지 빛과 저에너지 빛을 각각 비추는 실험을 진행했다. 양자점에 고에너지 빛을 비췄을 때만 광환원 반응이 일어났는데, 이는 핫 전자가 가진 여분의 에너지가 망간을 거쳐 광환원 반응에 쓰였음을 보여주는 결과다.

제1저자로 참여한 진호 교수는 "기존에는 반도체와 반응 분자 간의 에너지 준위가 맞지 않으면 전자 전달이 에너지적으로 불리해 광환원 반응을 일으키기 어려웠다"며 "이번 연구는 스핀 교환을 통해 핫 전자의 여분 에너지를 활용하면 이러한 조건에서도 반응을 일으킬 수 있다는 새로운 광촉매 메커니즘을 입증한 연구"라고 설명했다.

 

이어 "향후 태양광 기반의 수소 생산이나 이산화탄소 전환을 위한 차세대 고효율 광촉매 설계에 중요한 역할을 할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 세계적 권위의 학술지 '네이쳐 커뮤니케이션즈'(Nature Communications)에 6월 26일 공개됐다.

 

KPI뉴스 / 최재호 기자 choijh1992@kpinews.kr

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