UNIST·美 LANL 공동 연구
망간 이온 초고속 스핀 교환·광환원 반응 규명
울산과학기술원(UNIST)이 양자점 '핫 전자(hot electron)'의 에너지를 광환원반응에 활용할 수 있는 방법을 찾아냈다.
양자점은 수 나노미터 크기의 반도체 입자다. 핫 전자는 빛을 받은 반도체에서 생기는 여분의 뜨거운 에너지를 품은 전자다. 이 전자를 다른 분자에 넘기면 해당 분자는 전자를 얻어 태양광 수소 생산이나 이산화탄소 전환의 광환원 반응을 일으킬 수 있다. 하지만 찰나(몇 조분의 1초)에 식어버려 활용이 어려웠다.
진호 UNIST 화학과 교수와 빅터 클리모프 미국 로스앨러모스국립연구소(LANL) 연구원은 이 핫 전자 에너지로 양자점 내부 망간 전자를 분자에 전달할 수 있는 스핀 교환 반응을 규명했다.
스핀 교환은 전자가 지닌 스핀(방향성을 갖는 물리적 성질)이 서로 영향을 주고받아 위치가 바뀌고, 그 과정에서 에너지가 전달되는 현상이다.
연구팀은 핫 전자를 에너지를 잃기 전에 광환원 반응에 활용하기 위해 양자점 내부에 자성을 띠는 망간 이온을 넣었다. 망간 이온은 핫 전자를 포함한 전자·정공 쌍과 초고속 스핀 교환을 일으켜 열로 사라질 에너지를 받아낸다. 또 망간 이온은 원래 스핀 상태로 돌아가는 과정에서 전자가 분자로 이동하면서 광환원 반응을 일으킨다.
연구팀은 펨토초 과도흡수 분광법으로 이 사실을 입증했다. 시료에 매우 짧은 간격으로 레이저를 비춘 뒤 빛의 흡수 변화를 측정해 전자와 에너지가 움직이는 과정을 추적했다.
그 결과 망간을 넣은 양자점의 전자 전달 속도는 기존보다 10배 이상 빨라졌다. 스핀 교환이 전자가 반응 분자로 이동하는 빠른 통로로 작용했다는 뜻이다.
진호 교수는 “반도체와 반응 분자 간에 에너지 준위가 맞지 않으면 전자 전달도 에너지적으로 불리해 광환원 반응을 일으키기 어려웠다. 스핀 교환으로 핫 전자의 여분 에너지를 활용하면 이러한 조건에서도 반응을 일으킬 수 있다는 새로운 광촉매 메커니즘을 입증했다”며 “향후 태양광 기반 수소 생산이나 이산화탄소 전환을 위한 차세대 고효율 광촉매 설계에 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.
울산=임동식 기자 dslim@etnews.com
