오하이오주립대 구마 교수 연구팀, 햇빛의 힘 이용 물에서 위험한 오염물질 제거할 수 있는 '나노매트' 개발
오염물질 제거 및 지속가능한 에너지 생산…나노매트, 독성 부산물 생성하지 않아 매우 환경 친화적
개발도상국 산업 오염물질 제거 및 오염된 강·호수를 깨끗한 식수로 전환 가능
재료 분야 국제학술지 『어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 저널』 최근호에 발표
미국 오하이오주립대학교(The Ohio State University) 펠라지아-아이린 구마(Pelagia-Iren Gouma) 교수(사진) 연구팀은 햇빛의 힘을 이용하여 물에서 위험한 오염물질을 제거할 수 있는 새로운 물질인 '나노매트(Nanomats)'를 개발했다. [사진출처(Photo source) = 오하이오주립대학교(The Ohio State University]
미국 오하이오주립대학교(The Ohio State University) 연구원들은 햇빛의 힘을 이용하여 물에서 위험한 오염물질을 제거할 수 있는 새로운 물질을 개발했다.
이 연구팀은 액체에 전기력을 가해 작은 섬유를 만드는 기술인 ‘연질 화학 젤과 전기 방사(Soft Chemistry Gels And Electrospinning)’의 조합을 통해 만들어진 태양 전지, 가스 센서 및 다양한 자가 세척 기술에 자주 사용되는 화합물인 이산화티타늄(TiO₂)의 얇은 섬유 같은 스트립을 제작했다.
TiO₂ 나노입자를 활용하는 태양광 연료 시스템은 훌륭한 대체 에너지원임에도 불구하고 가시광선을 흡수하여 광촉매나 화학 반응만 일으킬 수 있기 때문에 전력이 제한되는 경우가 많다. 이로 인해 낮은 효율성과 복잡한 여과 시스템(Filtration Systems)이 필요하는 등 구현에 상당한 어려움을 겪을 수 있다.
이번 연구의 수석 저자이자 오하이오 주립대학의 재료과학 및 공학 교수인 펠라지아-아이린 구마(Pelagia-Iren Gouma) 박사는 “그러나 연구원들이 이 과정을 개선하기 위해 재료에 구리(Cu)를 첨가했을 때, '나노매트(Nanomats)'라고 불리는 새로운 구조는 공기와 물의 유해한 오염물질을 분해하기에 충분한 빛 에너지를 흡수할 수 있었다”고 말했다.
구마 박사는 이어 “물 위에 누워서 에너지를 생성할 수 있는 담요 같은 것을 만드는 쉬운 방법은 없었다”라면서 “하지만 이러한 구조물을 만든 사람은 우리뿐이며 실제로 작동한다는 것을 증명한 사람은 우리 연구팀뿐”이라고 말했다.
a) 순수 이산화티타늄(TiO₂) 나노섬유의 아나타제 상 평면을 보여주는 고해상도 TEM 이미지, b) 나노섬유의 SAED 패턴. [그림출처(picture source) = 어드밴스드 사이언스 저널(journal Advanced Science)]
이 연구는 재료 분야 권위있는 국제학술지인 『어드밴스드 사이언스 저널(journal Advanced Science)』 최근호에 ‘3D 자가 지원 가시광선 광화학 나노촉매(3D Self-Supported Visible Light Photochemical Nanocatalysts)’라는 제목으로 발표됐다.
이산화티타늄(TiO₂)이 빛을 흡수하면 전자가 형성되어 물을 산화시키고 오염물질을 공격하여 양성이 될 때까지 천천히 파괴한다. 구리(Cu)가 첨가되면 그 과정이 초전하를 띠게 되어 더욱 효과적이다.
구마 박사는 “이를 결정하기 위해 연구원들은 나노매트가 어떻게 행동하는지, 그리고 다른 자체 세척 나노 입자와 다른 점을 이해하기 위해 나노매트의 업데이트된 특성을 특성화하기 위해 노력했다”고 말했다.
구마 박사는 이어 “놀랍게도, 연구원들은 전통적인 태양 전지와 비교했을 때, 이러한 나노매트가 자연 햇빛 아래에 놓일 때 발전에 더 성공적일 수 있다는 것을 발견했다”고 말했다.
구마 박사는 특히 “이 나노매트는 발전기나 물 정화 도구로 사용될 수 있다”라면서 “두 가지 방법 모두에서 현재까지 보고된 가장 높은 효율을 가진 촉매를 갖게 되었다”고 강조했다.
구리(Cu)가 도핑된 이산화티타늄(TiO₂) 나노섬유의 브루카이트(brookite) 상에 대한 다크 필드(Dark Field) 이미지. [그림출처(picture source) = 어드밴스드 사이언스 저널(journal Advanced Science)]
가볍고 제거하기 쉬운 섬유매트는 어떤 수역 위에 떠다니며 작동할 수 있으며 여러 번의 세척 주기를 통해 재사용할 수도 있다. 나노매트가 매우 효과적이기 때문에, 연구원은 개발도상국의 산업 오염물질을 제거하고, 오염된 강과 호수를 깨끗한 식수로 전환할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
또한, 이 기술은 일부 태양 전지 시스템처럼 독성 부산물을 생성하지 않기 때문에 나노매트는 매우 환경 친화적이다. “나노매트는 안전한 재료이고, 아무것도 해치지 않으며, 최대한 깨끗하다”고 구마 박사는 말했다.
그럼에도 불구하고 연구팀의 기술은 엄청나게 효율적이지만, 상업적으로 규모를 확장하는 데 걸리는 시간은 업계가 제품을 얼마나 빨리 인지하느냐에 따라 달라진다.
구마 박사는 “우리는 나노매트를 대량으로 만들어 다양한 산업에 적용할 수 있는 도구를 가지고 있다”라면서 “유일한 한계는 이러한 풍부한 자원을 활용할 수 있는 사람이 필요하다”고 말했다.
a, b) 구리(Cu)가 도핑된 이산화티타늄(TiO₂) 열처리 나노섬유 매트, c) 나노섬유의 SEM 이미지. [그림출처(picture source) = 어드밴스드 사이언스 저널(journal Advanced Science)]
전반적으로, 이 연구의 결과는 나노매트가 환경 개선과 같은 장기적인 지속 가능성 노력뿐만 아니라 태양열 수소 생산을 포함한 많은 미래 광촉매 응용 분야에서 유망한 도구가 될 수 있음을 시사한다.
연구팀은 앞으로 재료를 더욱 최적화할 수 있는 방법을 검토할 계획이다.
구마 박사는 “이 물질은 새로운 형태의 나노기술 측면에서 완전히 새로운 것으로 정말 인상적이고 매우 기대되는 부분”라고 말했다.
이 연구의 공동 저자로는 오하이오주립대학의 파테 미카엘리아(Fateh Mikaeilia)와 모하마드 마하푸주르 라하만(Mohammad Mahafuzur Rahaman)이 있다. 이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받았다.
3D Nanotech Blankets Offer New Path To Clean Drinking Water
Fiber tech could eliminate pollutants, generate sustainable energy
Researchers have developed a new material that, by harnessing the power of sunlight, can clear water of dangerous pollutants.
Created through a combination of soft chemistry gels and electrospinning - a technique where electrical force is applied to liquid to craft small fibers - the team constructed thin fiber-like strips of titanium dioxide (TiO₂), a compound often utilized in solar cells, gas sensors and various self-cleaning technologies.
Despite being a great alternative energy source, solar fuel systems that utilize TiO₂ nanoparticles are often power-limited because they can only undergo photocatalysis, or create chemical reactions, by absorbing non-visible UV light. This can cause significant challenges to implementation, including low efficiency and the need for complex filtration systems.
Yet when researchers added copper to the material to improve this process, their new structures, called nanomats, were able to absorb enough light energy to break down harmful pollutants in air and water, said Pelagia-Iren Gouma, lead author of the study and a professor of materials science and engineering at The Ohio State University.
“There hasn’t been an easy way to create something like a blanket that you can lay on water and start creating energy,” she said. “But we are the only ones who have made these structures and the only ones to demonstrate that they actually work.”
The study was recently published in the journal Advanced Science.
When titanium dioxide absorbs light, electrons are formed that oxidize water and attack pollutants, slowly destroying them until they become benign. When copper is added, that process is supercharged, making it even more effective.
To determine this, researchers worked to characterize the nanomat’s updated properties to understand how it behaved and what made it different from other self-cleaning nanoparticles, said Gouma. Surprisingly, researchers found that compared to traditional solar cells, these nanomats can be more successful at power generation when placed under natural sunlight, she said.
“These nanomats can be used as a power generator, or as water remediation tools,” she said. “In both ways, you have a catalyst with the highest efficiency reported to date.”
These lightweight, easy-to-remove fiber mats can float and operate atop any body of water and are even reusable through multiple cleaning cycles. Because nanomats are so effective, researchers envision that they could be used to rid water of industrial pollutants in developing countries, turning otherwise contaminated rivers and lakes into sources of clean drinking water.
Additionally, because this technology doesn’t generate any toxic byproducts like some solar cell systems, nanomats are extremely environmentally friendly. “It’s a safe material, it won’t hurt anything, and it’s as clean as it can be,” said Gouma.
Still, although this team’s technology is incredibly efficient, how long it will take to scale up commercially depends on how quickly industries take notice of the product. “We have the tools to make them in large quantities and translate them to various industries,” said Gouma. “The only limitation is that it needs someone to take advantage of these abundant resources.”
Overall, the study’s findings suggest that nanomats could be a promising tool in many future photocatalytic applications, including long-term sustainability efforts like environmental remediation as well as solar-driven hydrogen production.
In the meantime, the team plans to examine ways to optimize the material further.
“This material is completely novel in terms of a new form of nanotechnology,” said Gouma. “It’s really impressive and something that we are very excited about.”
Other Ohio State co-authors include Fateh Mikaeilia and Mohammad Mahafuzur Rahaman. This study was supported by the National Science Foundation.
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