DGIST, ‘양자 반도체 나노클러스터’ 이용한 친환경 태양광 수소 생산 세계 최초 성공

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 양지웅 교수팀이 한양대 화학공학과 장윤정 교수팀, 고려대 화학과 스테판 링게(Stefan Ringe) 교수팀과의 공동연구를 통해, 세계 최소 크기의 무기 반도체 소재인 '양자 반도체 나노클러스터'를 이용한 친환경 태양광 수소 생산에 세계 최초로 성공했다.

연구팀은 기존에 광촉매로 활용된 바 없던 1nm 이하 크기의 극소 양자 반도체 소재인 '원자 26개로 구성된 카드뮴 셀레나이드 클러스터' 나노클러스터를 수계 환경에서 안정적으로 구현하고, 이를 광촉매로 응용하여 수소를 생산하는 데 성공함으로써, 에너지·환경 분야는 물론 양자과학 등 다양한 분야에서의 새로운 응용 가능성을 제시했다.

양자 반도체 나노클러스터는 특정한 수의 원자로 구성돼 있으며, 분자와 나노 결정 사이의 경계에 위치한 독특한 소재다. 대부분의 원자가 표면에 노출돼 있어 촉매로서의 높은 반응성이 기대되지만, 구조적 불안정성과 낮은 전기적 특성으로 인해 실제 응용에는 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 양자 나노클러스터가 자가 정렬되어 3차원적으로 결합하는 초구조(suprastructure)를 설계·제작해 구조적 안정성을 확보했으며, 클러스터 표면의 리간드 간 가교 결합을 통해 개별 클러스터의 특성을 유지하면서도 안정적인 구조를 구현했다. 또한, 클러스터 내에 코발트 이온을 도핑해 전기적 특성을 향상시키고, 이를 기반으로 광촉매 기반 수소 발생 반응(Photocatalytic Hydrogen Evolution)을 효과적으로 유도하는 데 성공했다.

DGIST 양지웅 교수는 “이번 연구는 현존하는 가장 작은 무기 반도체 구조로 알려진 양자 반도체 나노클러스터가 광촉매로 활용될 수 있음을 입증한 첫 사례”라며, “향후 극소 양자 반도체 소재의 에너지·환경 분야는 물론, 양자과학 분야까지 다양한 확장 가능성이 기대된다”고 밝혔다.

한이번 연구는 한국연구재단과 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 나노화학 분야의 세계적 권위지인 'Nano Letters'에 4월 온라인 게재됐다.