손영구·윤일선 교수팀, 레이저만으로 물·이산화탄소 전환 기술 제시
2026-09-14
재료 분야 국제학술지 『Advanced Functional Materials』 게재
- 나노구조·반도체 광흡수체 없이 전이금속과 근적외선 레이저로 반응 구현
- 물에서는 수소, 습윤 이산화탄소에서는 일산화탄소·C₂–C₇ 탄화수소 생성
나노구조나 반도체 광흡수체 없이 상용 전이금속 포일에 근적외선 펄스 레이저를 조사하는 것만으로 물과 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 기술이 제시돼 ‘태양광-열 기반 탄소중립 공정’을 단순화할 수 있을 것으로 기대된다.
자연과학대학 화학과 손영구 교수(에너지환경솔루션 연구실)와 윤일선 교수(나노광화학 연구실) 공동연구팀은 나노구조 가공을 하지 않은 전이금속 포일에 1064 nm 나노초 근적외선 펄스 레이저를 조사해, 외부 전압 없이 물 분해와 이산화탄소 전환 반응을 유도하는 데 성공했다.
이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지인 『Advanced Functional Materials』(2025 JCR IF 19.9, JCR 상위 4.2%)에 게재됐다. 손영구 교수와 윤일선 교수가 공동 교신저자로, 남효진·Sy Khiem Nguyen·황선영 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
빛을 이용해 물이나 이산화탄소를 반응시키기 위해서는 일반적으로 플라즈모닉 나노구조체나 반도체 광흡수체를 설계해야 한다. 그러나 이러한 소재는 제작 공정이 복잡해 실제 공정 적용에 한계가 있다.
연구팀은 이러한 기존 방식과 달리 별도의 나노구조 가공이나 전극 없이 상용 전이금속 포일에 근적외선 펄스 레이저를 조사하는 방식으로 반응을 구현했다. 특히 외부에서 전압을 인가하지 않고 레이저의 순간적인 광열 효과를 이용해 반응을 유도했다는 점에서 기존 광전기화학적 접근과 차별화된다.
물속에서는 전이금속 표면의 계면이 순간적으로 가열되면서 수소가 발생했으며, 수분이 포함된 이산화탄소 분위기에서는 일산화탄소와 함께 C₂–C₇ 범위의 탄화수소가 생성됐다. 이 과정에서 표면의 수소 원자와 일산화탄소 중간체가 결합하면서 탄소 사슬이 성장하는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 유사 반응이 일어나는 것으로 분석됐다.
연구팀은 전산모사를 통해 펄스 레이저가 조사될 때마다 금속 표면의 좁은 영역이 순간적으로 가열돼 반응에 필요한 문턱을 넘는 현상을 확인했다. 또한 레이저 펄스 사이에 열이 축적되면서 반응의 겉보기 활성화에너지가 크게 낮아지는 것으로 나타나, 반복적인 펄스 레이저 조사가 물과 이산화탄소의 전환 반응을 촉진하는 원리를 제시했다.
이번 연구는 복잡한 나노구조 제작이나 별도의 전극 시스템 없이 전이금속과 레이저만으로 물 분해 및 이산화탄소 전환 반응을 구현했다는 점에서 의미가 있다. 특히 공정 구성이 단순해 규모 확대에 유리하며, 향후 후속 연구를 통해 그린수소 생산과 이산화탄소 자원화 공정으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
손영구 교수는 “이번 연구는 별도의 나노구조 제작이나 외부 전압 없이 전이금속과 펄스 레이저만으로 물과 이산화탄소의 전환 반응을 구현했다는 데 의미가 있다”며 “향후 레이저 기반 광열 반응의 효율과 선택성을 높여 그린수소 생산과 이산화탄소 자원화 기술로 확장할 수 있도록 연구를 이어가겠다”고 말했다.
논문 제목 Photothermal CO₂ and H₂O Reduction via Pulsed Near-IR Activation of Transition Metals