□ 산림청 국립산림과학원(원장 이창재)은 목재의 주요 성분 중의 하나인 셀룰로오스를 나노화한 셀룰로오스 나노크리스털(결정성 셀룰로오스 나노입자)과 친환경 광촉매 소재인 이산화티타니아(TiO2)을 이용한 초미세 투명 박막 제조법을 개발했다고 19일 밝혔다.
○ 국립산림과학원과 세종대 연구팀은 국내 최초로 셀룰로오스 나노크리스털과 몰리브덴(전이금속의 한 종류, 원소기호:Mo)을 포함하는 이산화티타니아 용액을 유리기판 위에 코팅한 후 셀룰로오스 나노크리스털을 고온에서 연소시켜 오염물질을 광분해하는데 효과적인 다공성(多孔性) 박막을 개발했다.
※ 광촉매: 빛을 에너지원으로 이용해 촉매반응(산화, 환원 반응)을 거쳐 각종 오염물질을 분해하는 일종의 반도체이다. 광촉매 반응은 자외선이 초과산화물(O2-), OH 라디칼 등의 강한 산화력에 의해 광촉매의 표면에 흡착된 오염물질을 분해하는 총체적인 반응을 말한다.
※ 이산화티타니아(TiO₂): 대표적인 광촉매로 자연에 풍부하게 존재하며 가격도 저렴하고, 내구성(耐久性)과 내마모성(耐磨耗性)이 우수하다. 안전한 무독 물질로 폐기할 때 2차 공해에 대한 염려가 없어 광촉매 분야에서 많이 사용된다.
□ 연구팀은 셀룰로오스 나노크리스털의 구조를 이용해 전이금속이 코팅된 이산화티타니아 박막의 물리화학적 특성과 오염물질에 대한 광분해 특성 평가를 무처리 박막 필름과 비교·분석했다.
○ 몰리브덴이 코팅된 이산화티타니아 박막의 비표면적(빛을 흡수하는 면적)은 무처리 박막 필름에 비해 1.3배, 셀룰로오스 나노크리스털 연소 이산화티타니아 박막 필름에 비해 1.7배 높았다.
○ 몰리브덴이 코팅된 이산화티타니아 박막 필름은 자외선과 가시광선의 전 영역에서 95% 이상의 흡수율을 보였다.
○ 광효율 측정용 표준물질인 트리클로로에틸렌(trichloroethylene)을 이용한 유기물 광분해 평가 결과, 무처리 박막에 비해 최대 4배나 높게 나타났다.
○ 이는 셀룰로오스 나노크리스털의 나노구조와 전이금속에 의해 이산화티타니아 박막의 비표면적이 증가하고 이산화티타니아 자체의 광효율이 상승했기 때문이다.
□ 기존 다공체 유도체로는 실리카, 알루미나 등의 고체 무기재료가 흔히 쓰이는데, 이러한 다공체 유도체는 추후 공정에서 이산화티타니아 재료의 손상 없이 완전한 제거가 어렵다.
○ 따라서 공정 과정에서의 완전한 제거와 다양한 모양과 크기의 기공을 유도할 수 있는 셀룰로오스 나노크리스털이 다공체 유도에 효과적이다.
□ 이번 연구결과는 최근 세라믹 재료 분야의 최상위 해외 전문 학술지인 ‘세라믹스 인터내셔널(Ceramics International) 온라인판에 게재됐다.
□ 목재화학연구과 이성숙 과장은 “이번 연구결과는 기존의 이산화티타니아 소재의 광촉매 성능 및 효율을 목재 성분인 셀룰로오스 나노 유도체와 전이금속을 복합화해 극대화시킨 것”이라며, “향후 폐수처리 및 공기 정화에 반영구적으로 사용할 수 있는 원천 기술을 확보했다는데 의의가 있다.”라고 말했다.
□ 셀룰로오스 나노크리스털 사진(직경 10∼15nm)
□ 다공성 티타니아 박막의 특성
□ 질소 흡착-탈착 시험
□ TCE 광분해반응 속도 시험
□ 광촉매란?
화학반응에서 촉매란 자신은 변화하지 않고 반응을 개시시키거나 반응속도를 변화시키는 등의 역할을 수행하는 물질이다. 그 중에서도 광촉매란 촉매작용이 빛 에너지를 받아 일어나는 물질이며, 빛을 에너지원으로 이용하여 촉매반응(산화, 환원 반응)을 거쳐 각종 오염물질을 분해시켜주는 일종의 반도체라고 할 수 있다. 광촉매 반응은 자외선이 조사된 광촉매의 표면에서 생성된 초과산화물(O₂-), OH 라디칼 등의 강한 산화력에 의해 광촉매의 표면에 흡착된 오염물질을 분해하는 총체적인 반응을 말하는 것이다.
