1. 광촉매란 무엇인가

by

  • 광촉매란 무엇인지 알아보기 전에 촉매에 대해 알아보자.

촉매는 화학반응에 관여하여 활성화 에너지가 작은 새로운 반응 경로를 만들어 주어 반응속도를 빠르게 하는 물질이다. 화학반응에서는 물질(반응물)의 원자 배열 순서가 바뀌어 원래 물질과 다른 물질(생성물)이 생성된다. 화학반응이 진행되려면 활성화 에너지 고개를 넘을 수 있도록 에너지가 필요하다. 이는 자동차가 가솔린이 충분해야 산을 넘을 수 있는 원리와 같다. 반응물의 에너지가 충분하여 활성화 에너지 고개를 넘으면 반응이 진행되어 생성물이 생성된다. 그러나 촉매가 있으면 활성화 에너지가 작아져 반응물의 에너지가 적어도 반응이 진행된다. 즉 고개를 나주어 반응이 쉽게 일어난다. 적은 에너지로도 반응이 빠르게 진행되어 연료를 절약할 수 있다.

더구나 촉매 자신은 변화하지 않으므로 기본적으로는 촉매를 반영구적으로 사용할 수 있다(실제로는 사용 도중에 촉매가 피독되어 성능이 떨어진다). 이 때문에 자원을 절약하기 위해서 촉매를 여러 분야에 사용한다. 고체 촉매에서 반응이 일어나려면 반응물이 촉매 표면에 부딪혀야 한다. 즉 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 생성물이 만들어진다. 그러므로 촉매 표면적이 넓으면 반응물이 촉매 표면에 접촉하기 쉬워져서 반응이 빠르게 진행된다. 이런 이유로 촉매는 구멍이 많이 뚫린 상태(다공성)로 만들어 표면적을 넓게 하여 성능을 높인다. 다공성 촉매는 표면이 넓어 반응물이 많이 흡착되므로 반응물 밀도가 높아지기 때문에 반응이 쉽게 일어난다.

  • 빛 에너지로 작용하는 광촉매

광촉매는 빛의 촉매가 아니라 빛이 닿아야만 작용하는 촉매이다. 바꾸어 말하면 빛 에너지로 작용하는 촉매이다. 광촉매는 빛을 흡수하여 에너지가 높은 상태가 되고 그 에너지를 반응물질에 전달하여 화학반응을 일으킨다. 이러한 광촉매 반응은 오래 전부터 알려진 사실로서 무기화합물에 의한 광분해 반응이 1950년대부터 연구되어 왔다. 그러나 광촉매에 의한 도료의 열화 현상은 도료를 오래 쓰기 위해서는 억제해야 하므로 광촉매 반응은 오랫동안 손해를 끼치는 현상으로 취급되어 왔다.

1960년대 말 산화티탄 전극에 태양광을 쪼여 물을 분해 시켜 수소와 산소를 제조할 수 있음을 알게 되었다. 그 후 광촉매를 사용하여 물을 분해 시킬 수 있음을 알게 되었으며, 오일 쇼크로 인한 에너지가 사회문제로 부각되었을 때 태양에너지를 이용하여 수소 연료를 얻을 수 있다는 점에서 광촉매 연구가 각광을 받게 되었다. 1970년대 후반부터는 광촉매 반응을 이용하여 유해물질을 분해하여 무해화 하려는 연구가 이루어지고 있다. 현재 광촉매는 유해 약품을 사용하지 않고 빛 만을 이용하여 여러 종류의 난분해성 화학물질을 안전하고도 쉽게 분해할 수 있는 환경친화적인 환경정화 재료로 각광을 받고 있으며, 광촉매의 실용화 역시 눈부시게 발전하고 있다.

광촉매를 사용하면 수 만도로 아주 높은 온도에서만 일어날 수 있는 어려운 반응을 실온에서도 진행시킬 수 있다. 또 화학반응이 시작되면 일반적으로 반응물질이 없어질 때까지 반응이 진행하므로 도중에 반응을 멈추기 어려우나, 광촉매 반응은 빛의 조사를 멈추면 반응을 멈출 수 있다. 이처럼 광촉매는 빛이 없으면 작용하지 않으며, 반응물질이 광촉매 표면에 접촉해야 반응이 일어나는 특징이 있다.

광촉매

  • 반도체 광촉매란

광촉매로 금속이온이나 금속착체 등도 이용되고 있으나, 가장 많이 이용되는 물질은 반도체이다. 광촉매로 이용되는 반도체에는 갈륨인, 갈륨비소, 황화카드뮴, 티탄산스트론티움, 산화티탄, 산화아연, 산화철, 산화텅스텐 등이 있다. 이들은 보통 조건에서는 전기를 통하지 않는 절연체이지만 빛을 쪼여주면 전기를 통하는 반도체가 된다. 어떤 빛에 의해서나 전기를 통하는 것이 아니라 어느 정도 이상의 에너지를 갖는 빛이 필요하다. 이 에너지를 밴드갭 에너지라 부르며 반도체 종류에 따라 다르다. 빛의 에너지가 밴드갭 이상이면 빛에 의해 반도체에서 전자가 움직이기 시작하여 전자가 흐르고 전류가 생긴다.

보통 조건에서는 반도체의 전자가 가전자대에 가득 채워져 있어 움직일 수 없으나, 에너지가 밴드갭 이상인 빛을 반도체에 쪼여주면 가전자대 보다 에너지가 높은 전도대로 전자가 들뜬다. 전자의 이동으로 전류가 흐르게 되며, 이 가전자대와 전도대와의 에너지 차를 밴드갭이라 한다. 전도대로 전자가 들뜨면 가전자대에는 전자가 없어진 홀이 생긴다. 이 홀에 생기며, 전자는 강한 환원력, 정공은 강한 산화력을 갖는다.

대부분의 반도체는 물에 넣고 빛을 쪼이면 양이온과 음이온으로 나뉘는 광용해 반응으로 녹아 없어진다. 이런 이유로 대부분 반도체는 광촉매로 사용할 수 없다. 그러나 반도체 중 산화티탄은 빛에 의해 녹지 않으며, 내구성과 내마모성이 우수하고 산출량이 많아 저렴하게 생산할 수 있어서 현재 산화티탄만이 광촉매로 실용화되었다.

  • 산화티탄의 물성

산화티탄은 백색 안료로 대부분의 치약이나 화장품에 들어있다. 상온 상압의 보통조건에서 산, 알칼리, 물, 유기용제에 녹지 않으며, 불화수소, 염소, 황화수소 등 반응성이 강한 가스와도 반응하지 않는 매우 안정한 물질이다. 광촉매로서 내구성과 내마모성이 뛰어나며, 경제성, 안전성, 실용성 등 측면에서도 장점이 많다. 산화티탄 결정형에는 루타일, 아나타제, 브루카이트의 3종류가 있다. 이 가운데 루타일이 가장 안정한 결정 구조여서 아나타제와 브루카이트도 높은 온도에서는 루타일로 변한다.

산화티탄은 실온에서 완전한 절연체이나 빛을 쪼이거나 가열하면 반도체로 된다. 광촉매로서 성능은 아나타제가 루타일보다 더 높은 것으로 알려져 있다. 산화티탄은 물과 반응하여 표면에 수산기가 생성되므로 친수성을 갖는다. 그래서 물과의 접촉각은 거의 3도가 되고 물방울을 떨어뜨리면 막을 만들어 흐르게 된다. 표면 OH기의 이론적 포화치는 아나타제가 루타일에 비해 더 높아 더 친수적이다.

굴절률은 다이아몬드의 굴절률보다 커서 은폐와 착색 기능이 우수하다. 산화티탄을 산성 물에 넣으면 표면이 양으로 대전되고, 알칼리성 물에서는 음으로 대전된다.

  • 산화티탄의 강력한 분해 작용

산화티탄의 밴드갭보다 에너지가 큰 빛을 산화티탄에 쪼여주면 전자가 뜨면서 전자와 정공이 생성된다. 전자와 정공이 물이나 산소와 반응하면 OH 라디칼이나 수퍼옥사이드 음이온 등 활성산소종이 생성된다. 활성산소종은 반응성이 매우 강하다. 유기화합물은 대부분 단소, 수소, 질소로 이루어져 있다. 따라서 유기화합물은 탄소-탄소, 탄소-질소, 탄소-수소, 산소-수소, 질소-수소 등 결합으로 이루어지는데 이들의 결합 에너지는 이보다 에너지가 많은 OH 라디칼로 이들 결합을 쉽게 분해할 수 있다.

이처럼 광촉매에서 생성되는 OH 라디칼을 이용하면 유기화합물을 완전히 분해하여 탄산가스와 물과 같은 무독성 물질로 바꿀 수 있다. OH 라디칼은 빛과 물이 산화티탄에 공급되면 계속 생성되므로 광촉매 반응도 계속 진행된다. 다만 광촉매 작용을 이용하기 위해서는 전자가 들뜰 수 있도록 산화티탄의 밴드갭보다 에너지가 많은 빛을 쪼여주어야 한다. 광촉매로는 보통 아나타제 구조의 산화티탄을 많이 이용하므로 광촉매 작용이 나타나려면 380 nm 보다 짧은 자외선을 쪼여야 하며, 태양광에서는 이 범위의 자외선이 3~4% 정도 들어있다.

  • 광촉매의 효과

산화티탄에 빛을 쪼이면 OH 라디칼 등 활성산소종이 생긴다. OH 라디칼은 소독이나 살균 목적으로 사용되는 염소나 차아염소산, 과산화수소, 오존 보다 산화력이 훨씬 강하여 소독인 살균 기능이 있다. 이처럼 산화력이 강하여 물에 녹아 있거나 공기 중에 들어 있는 여러 종류의 유해한 화학물질을 분해 시켜 무해한 물질로 변화시킨다. 이로 인해 산화티탄은 수처리, 탈취, 배출가스 처리, 대기정화, 토양처리, 항균 항곰팡이, 더러움 방지, 이끼 방지, 미끄럼 방지, 새집증후군 저감, 병원내 감염 방지 등 여러 환경 분야에 응용되고 있다.

악취, 곰팡이, 세균 등으로 거주환경이 오염되고 환경호르몬 등 여러 화학물질의 과다 사용과 화석연료의 대량소비로 전 지구적으로 환경오염이 심각해지고 있다. 이러한 오염은 농도가 낮은 화학물질에 의해 발생하며 광범위한 지역이 오염된다는 특징이 있다. 유해물질 제거에 주로 사용하는 포집 방법이나 농축 후 열분해 방법으로는 이러한 오염을 해결할 수 없다. 광범위한 지역을 정화하는데 필요한 에너지를 화석연료에서 얻기 때문에 지구 전체의 환경을 정화시키려면 에너지 위기를 초래할 수 있다. 다이옥신 등과 같은 다른 유해물질을 생성하거나 지구온난화를 가속시킬 수도 있다. 그러나 산회티탄 광촉매는 유해한 약품이나 에너지를 사용하지 않고 태양광 등 빛 에너지만으로 분해하기 어려운 여러 종류의 화학물질을 안전하면서도 쉽게 분해할 수 있다. 동시에 살균도 가능하므로 전지구로 확산되는 환경오염을 정화하는 마지막 카드로 주목받고 있다.

산화티탄은 이외에도 김서림 방지, 농작물이나 생화의 신선도 유지, 착설방지, 치과 미용, 오염제거 등 새로운 분야에도 활용되고 있으며, 연구개발이 진행될수록 더 많은 분야에 적용되리라 예상된다.

 

  • 참고글

광촉매를 적용한 재료 (1)

광촉매를 적용한 재료 (2)