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아주대 박은덕 교수 연구팀이 태양광을 이용한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. 실시간 분석이 가능해지면 대표적 녹색 에너지인 수소의 생산 효율을 높여, 이를 더욱 널리 활용할 수 있게 될 전망이다. 박은덕 아주대 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 오른쪽)는 태양광 물 분해를 통해 수소를 제조하는 광전극을 실시간으로 분석할 수 있는 라만 분광기법을 개발했다고 밝혔다. 이 내용은 '반응조건 중 라만 분광법을 이용한 황화몰리브데넘·황화구리인듐 광전극에서의 촉매 활성점 변환 관찰(Monitoring Transformations of Catalytic Active States in Photocathodes Based on MoSx Layers on CuInS2 Using In Operando Raman Spectroscopy)'이라는 논문으로 독일 화학회 발행 국제 학술지 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie)> 2월호에 게재됐다. 박은덕 아주대 교수가 교신저자로, 채상윤 아주대 박사후 연구원(위 사진 왼쪽)과 윤노영 석사과정생(현 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터)이 제1저자로 참여했다. 인간의 활동에 의해 배출되는 온실가스를 최대한 줄여 대기 중 이산화탄소의 농도를 더 이상 높아지지 않게 하는 '탄소중립'은 대체 에너지원의 개발과 수소의 활용을 통해 가능하다. 그 중 수소는 무한한 에너지원인 태양광을 이용, 물을 분해해 제조할 수 있어 전 지구적 관심을 받고 있다. 현재 수소 에너지의 생산에는 태양전지를 이용하여 전기를 만들고 이를 통해 전기화학적으로 물을 분해하는 수전해기술이 적용되고 있다. 산업계와 학계에서 수소 제조를 위한 그린 수소 기술의 상용화에 매진하고 있으나, 아직 원천기술이 부족해 국산화에 어려움이 많다. 더불어 태양광으로부터 바로 물을 분해할 수 있는 광전기화학 반응이 가까운 미래에 실현 가능한 차세대 기술로 대두되고 있어, 관련 원천기술의 확보가 매우 중요한 상황이다. 광전기화학 반응을 이용하면 광촉매 전극에 빛을 주어 물을 수소와 산소를 만들 수 있다. 빛에너지에 의해 생성된 광전자와 광정공이 각각 전해질의 물을 수소와 산소로 분리할 수 있는 것. 그러나 아직은 태양광-수소 전환 효율이 낮아 상업화에 어려움이 있다. 광전기화학전지의 수소 생산 효율을 높이기 위해서는 실제 반응이 진행되는 조건에서 촉매 전극과 전해질 사이의 광전기화학 반응기작을 연구해야 하며, 이를 위한 실시간 분석법이 필요하다.아주대 연구팀은 이상적인 광전기화학적 수소 생산 물질로 고려되는 p-형 반도체인 황화구리인듐(CuInS2)에 n-형 반도체인 황화몰리브데넘(MoSx)을 도입했다. 황화구리인듐 전극 표면에 존재하는 결정결함 등에 따라 전자-정공 쌍이 재결합해 수소 생산 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있기 때문. 이에 전자-정공의 분리를 유도하기 위해 황화몰리브데넘을 도입한 것이다. 그 결과 초기에 제작된 황화몰리브데넘은 수소생산 효율이 매우 낮았지만, 광전기화학 반응이 진행됨에 따라 수소 생성 효율이 26배 이상 대폭 증가함을 알 수 있었다. 이 원인을 밝히기 위해 연구팀은 표면 분석을 반응이 진행되는 도중 실시간 분석이 가능한 라만 분광 장치 라만 분광 장치를 새롭게 구성했다.이를 통해 초기에는 황화몰리브데넘 일부가 이산화몰리브데넘(MoO2)으로 변환되었으나, 반응이 진행될수록 산화몰리브데넘이 용해되어 전극 표면에서 용출되고 무정형의 황화몰리브데넘(MoSx) 형태로 바뀐다는 점을 확인했다. 이로 인해 황화구리인듐(CuInS2)과 황화몰리브데넘(MoSx) 간의 전하 전달이 원활해지고 결과적으로 수소생산 효율이 크게 향상되는 것을 알 수 있었다.박은덕 교수는 "현재 물 분해를 통한 수소 제조를 위해 여러 연구가 진행되고 있으나 수소(기체), 물(액체), 광전극(고체)과 태양광이 공존하는 매우 복잡한 시스템"이라며 "때문에 실제 반응조건에서의 광전극 분석이 쉽지 않았지만, 이번 연구를 통해 실시간으로 실제 광전극 반응의 분석이 가능해졌다"고 말했다. 이어 "이러한 실시간 광전극 분석기술은 수소 제조뿐 아니라 태양광을 이용한 인공 광합성 등의 분야에도 활용될 수 있다"며 "태양광을 직접 이용한 물 분해 수소 제조와 이산화탄소의 화학 전환은 친환경 에너지 활용을 위한 차세대 원천기술"이라고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단의 C1 가스 리파이너리 사업 및 기초연구지원사업과 KIST의 지원으로 수행됐다. 왼쪽 그림이 실시간 라만 분광 분석장치 모식도. 오른쪽 그림은 반응중 시간별 라만 스펙트럼 결과
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우리 학교 조인선 교수 공동 연구팀이 기존 광전극 대비 5배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 새로운 광전극을 개발하는데 성공했다. 이 기술을 적용하면 차세대 신재생 에너지 중 가장 유망한 에너지원인 수소 에너지의 효율적 활용에 기여할 것으로 기대된다.아주대 조인선 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 미국 스탠포드대학 샤올린 정(Xiaolin Zheng) 교수(기계공학과)팀과 함께 결정 재구조화 방법을 통해 기존 광전극 대비 5배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 새로운 광전극을 개발했다고 밝혔다.이번 연구는 'Mo:BiVO4 광전극의 결정 재구성: 효율적인 태양광 물 분해를 위한 향상된 전하수송 특성(Crystal Reconstruction of Mo:BiVO4: Improved Charge Transport for Efficient Solar Water Splitting)'이라는 제목으로 재료공학 분야 국제 학술지 <어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924, JCR 상위 4.658 %)>에 게재됐다. 이번 연구에는 우리 학교 대학원 에너지시스템학과 석사과정 정유재 학생(사진 왼쪽)이 제1저자로 참여했다.광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있다. 그러나 기존의 비스무스 바나데이트(BiVO4) 광전극 소재를 이용할 경우, 심각한 전자-정공 재결합이 발생하여 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었다.이를 개선하기 위해 그동안 학계에서는 여러 방안을 연구·적용해왔다. 도핑, 조촉매 코팅, 이종 접합 기술 및 결함(Defect) 제어와 같은 방안으로 대부분은 나노구조 광전극을 이용했다. 그러나 이러한 방안들의 경우, 여러 단계의 합성 과정과 고온 및 진공 장비가 필요할 뿐만 아니라, 추후 소자 적용 시 물리적 안정성이 낮고 전기화학적 부식에도 취약하다는 단점이 있었다.이에 아주대 공동 연구팀은 나노구조가 아니라 오히려 결정성이 좋고 크기가 큰 마이크로 구조에 주목했다. 벌크 광전극은 물리적 안정성이 높고 부식 저항성이 상대적으로 우수하다는 보고가 있기 때문. 하지만 이러한 벌크 구조를 가진 광전극을 간단히 대면적으로 합성하는 방법에 대한 선행 연구는 거의 없었다.연구팀은 결정 재구조화(Crystal Reconstruction) 방법을 고안, 저렴한 용액 공정 기반 합성으로 여러 결정면이 표면으로 노출된 나노구조를 합성했다. 이러한 다결정면이 노출된 나노구조의 경우 표면에너지가 높고 열적불안정성이 커서 표면 재구조화에 매우 유리하다. 이에 연구팀은 표면에너지가 불안정해지는 원리를 이용하여 열에너지를 가해 표면을 재구성시키는 전략을 적용했다.연구팀은 치밀하면서 큰 입계로 구성된 광전극을 이용하여 기존 대비 전하 이동 특성이 4배 이상(92%) 높은 광전류 값을 얻는데 성공했다. 또한 안정성 분석을 통해 광 부식에도 높은 저항성을 가짐을 확인했다.연구에 참여한 정유재 학생은 “저온에서 합성 가능하며 대면적 합성에도 적용이 가능하기 때문에 추후 다양한 에너지 소재 분야에서 활용될 것으로 생각된다"고 설명했다.이어 “학부 후배들이 학부 연구생으로서 설계 과목에 참여하여 연구 과정에 많은 도움을 주고 있다”며 "연구에 흥미가 있는 학부생들이라면, 적극적으로 교수님들과 상의하여 연구에 참여해보고 더 깊은 공부를 통해 폭넓게 진로를 탐색해보았으면 한다”고 조언했다.<결정재구성 전략 및 향상된 전하 수송/수집 특성 모식도>(위) 결정 재구성 과정 (왼쪽아래) 전하 수송 특성 (오른쪽아래) 전하 수송특성 비교 (나노 구조체 vs 큰 입계 구조)
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우리 학교 김욱·김은하 교수팀이 대표적 피부 염증 질환인 건선의 치료를 위한 새로운 방식의 나노입자 활용 기술을 제안했다. 해당 기술은 기존 건선 치료제의 단점을 보완하고, 여러 염증성 피부 질환의 치료에 적용할 수 있는 확장성 높은 기술로 새로운 치료제 개발에 활용될 전망이다. 김욱·김은하 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀은 건선 치료제로 개발될 수 있는 새로운 방식의 나노입자 활용 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 연구는 '건선 치료를 위한 경피 흡수 제형 약물로써 히알루론산 나노입자(Hyaluronic acid nanoparticles as a topical agent for treating psoriasis)'라는 제목의 논문으로 나노바이오 분야 국제 저명 학술지 <ACS Nano> 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 대학원 분자과학기술학과 박사과정의 이왕희·양예영 학생과 노준기 박사 졸업생이 공동 제1저자로 참여했다. 건선은 전 세계 인구의 약 3%가 앓고 있는 만성 염증성 피부 질환으로, 전염성은 없으나 재발 가능성이 높다. 피부에 붉은 발진이 나타나면서 두꺼운 각질이 쌓이는 증상을 보이며, 스트레스와 유전, 생활 환경과 면역 등 여러 요인이 복합적으로 작용하여 발병하는 것으로 알려져 있다. 현재 국소 및 전신 치료, 광 치료와 생물학 제제 치료 등이 활용되고 있다. 아주대 연구팀은 건선을 비롯한 피부 염증 치료를 위해 자가조립 히알루론산 나노입자를 활용한 새로운 기술을 제안했다. 자가조립 히알루론산 나노입자는 입자 내부에 약물을 담아 전달하는 ‘약물 전달체’로 사용된다. 생체 친화적이며 독성이 없고 생체 내에서 특정 수용체에 결합하는 등의 장점을 가지고 있어, 약물의 표적 특이적 체내 전달을 위한 수단으로 활발히 연구되어 왔다. 아주대 연구팀은 약물을 포함하지 않은 자가조립 히알루론산 나노입자 자체에서 피부 투과 능력과 피부 염증 제어 및 건선 치료 효능을 발견했다. 이에 해당 나노바이오 기술이 기존 국소 및 전신 건선 치료제의 단점을 극복할 수 있는지 규명, 새로운 피부염증 질환 치료제로서의 개발 가능성을 검증하고자 했다. 이를 위해 연구팀은 물리·화학적 특성 및 조성 변화를 통해 다양한 종류 및 크기의 나노입자를 합성하는 실험을 거쳤다. 그 결과 합성된 나노입자가 보유한 히알루론산 분해효소에 대한 저항성과 체내 안정성, 피부 투과 능력, 피부 염증 제어 및 건선 치료 효과가 소수성 물질의 종류와 히알루론산의 분자량과 관계없이 구(球)형의 외부 히알루론산 껍질에 의한 대식세포 및 활성 억제에 의한 것임을 확인했다. 또한 이러한 성질이 나노입자의 크기가 작을수록 향상됨을 확인하였다. 그 밖에도 피부 염증에 의해 파괴되는 피부장벽 기능이 히알루론산 나노입자에 의해 회복된다는 점도 규명해냈다.현재 건선 치료를 위해서는 국소 치료제와 전신 치료제가 사용되고 있다. 바르는 약 방식의 국소 치료제는 치료 효능이 낮고 약효 지속시간이 짧다. 주사제인 전신 치료제는 그에 비해 치료 효능이 높지만 비용이 많이 들고, 병원을 직접 방문해야 하기에 환자의 치료 편의가 낮다. 국소 치료제와 전신 치료제 모두 치료 중단 시 재발하는 경우가 대부분이며 피부발진, 모낭염, 신장 및 간독성 등의 부작용이 존재한다. 이에 반해 히알루론산 나노입자는 독성을 유발하지 않으면서도 기존 치료제와 비교하여 동등하거나 향상된 건선 치료 효과를 나타냈다. 특히 이번 연구에서 사용된 히알루론산 나노입자를 구성하는 물질은 모두 내인성 물질로 독성이 없고 단가가 낮으며 합성이 용이해, 해당 나노입자 기반의 치료제는 기존 건선 치료제의 단점들을 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 김욱 교수는 “특정 약효가 있는 물질을 히알루론산에 접합하여 사용하거나 기존 약물 전달체로서의 기능을 융합해 나노입자에 특정 약물을 담아 투여하면, 나노입자 자체의 치료 효능에 약물의 치료 효능까지 추가된 이중 또는 다중 치료 효능을 갖는 약물 플랫폼 기술을 개발할 수 있다”며 “이는 건선뿐만 아니라 다른 염증 질환에도 적용 가능하며 환자들의 경제적 부담을 줄이고 부작용은 최소화해 줄 수 있어 실제 환자 편의와 활용에 도움이 될 것”이라고 말했다. 한편 이번 성과는 여러 분야 연구자들의 공동·융합 연구를 기반으로 도출됐다. 아주대 최상돈 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과)와 성균관대 박재형 교수(고분자공학부), 중앙대 김정웅 교수(생명과학과), 가톨릭대 의과대학 이은경 교수(생화학교실) 및 광주과학기술원 송우근 교수(생명과학과)팀이 공동으로 참여했고, 국가신약개발사업단 국가신약개발과제(신약기반 확충연구)와 한국연구재단 대학중점연구소 및 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행되었다.# 위 사진 설명 : 뒷줄 왼쪽부터 김욱, 김은하 교수, 앞줄 왼쪽부터 노준기, 이왕희, 양예영국제 저명 학술지 <ACS Nano> 표지논문으로 선정된 아주대 공동 연구팀의 연구성과(자료제공_ACS Nano)
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- 작성일2023-04-18
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