이기태 교수(신소재공학부 전자재료공학전공, 대학원 JBNU-KIST 산학연융합학과·에너지저장변환공학과) 연구팀이 소재 표면의 원자 구성과 배열에 따라 전자적 특성과 화학반응이 달라지는 원리를 규명했다.
이번 성과는 태양광을 이용한 수소 생산 등 에너지 전환에 활용되는 소재를 원자 수준에서 정밀하게 설계하는 데 기초자료가 될 것으로 기대된다.
이 교수팀은 DGIST 에너지공학과 이태훈 교수 연구팀과 공동으로 에너지 전환 소재인 비스무트 바나데이트(BiVO4)의 표면 구조를 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석했다.
연구 결과는 재료화학 분야 국제학술지 『Journal of Materials Chemistry A』에 ‘Surface reconstruction tunes band edges and lattice-oxygen reactivity on BiVO4(010) photoanodes’라는 제목으로 게재됐다.
소재의 성질은 구성 원소뿐 아니라 원자의 배열에 따라서도 달라진다. 특히 표면은 주변 환경과 직접 맞닿아 전하가 이동하고 화학반응이 일어나는 영역이다. 실제 사용 환경에서는 표면의 원자 구성과 배열이 바뀌는 ‘표면 재구성’이 발생하기도 한다. 이러한 변화가 소재의 특성에 미치는 영향을 이해하는 것은 더 좋은 소재를 설계하는 데 중요한 과제다.
연구팀은 태양광 수소 생산 과정에서 물을 산화하는 광전극 소재인 BiVO4의 다양한 표면 구조를 비교했다.
그 결과, 같은 소재라도 표면에 어떤 원자가 어떻게 배열돼 있는지에 따라 전자의 에너지와 전하가 머무는 위치가 달라진다는 사실을 확인했다.
또한 일부 표면에서는 특정한 전자 배열로 인해 소재 자체를 구성하는 산소가 물 환경에서 산소 분자를 만드는 반응에 참여할 수 있음을 확인했다.
이번 연구는 소재의 구성 원소를 바꾸는 것과 함께 표면의 원자 배열을 조절하는 것이 에너지 전환 소재 설계의 중요한 전략이 될 수 있음을 제시했다는 데 의미가 있다.
이기태 교수는 “이번 연구는 같은 소재라도 표면의 원자 배열에 따라 전자적 특성과 반응 방식이 달라질 수 있음을 보여준 것”이라며 “표면 재구성에 대한 이해를 바탕으로 태양광 수소 생산 등에 활용할 에너지 소재의 정밀 설계에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
