자연과학대학 화학과 이진용 교수 연구팀은 스페인 바르셀로나 대학교 일라스 교수 연구팀과 공동으로 이산화티타늄의 나노입자 크기에 따른 밴드 정렬 변화를 양자계산을 통해 규명하여, 세계적 권위의 물리화학분야 학술지인 ‘Journal of Physical Chemistry Letters (IF=9.353, 물리, 원자, 분자 및 화학분야 JCR 상위 1.4 % 저널)’에 2017년 11월 16일 자에 논문으로 게재하였다. 

이산화티타늄은 광촉매 소재의 원료 물질로서 학계 및 산업계에서 가장 많이 활용되고 있고, 통상 광촉매 효율을 높이기 위해서 아나타제와 루타일 다형체를 갖는 나노입자들을 섞어서 사용하고 있다. 현재까지 여러 실험들을 통해 두 다형체 사이의 밴드 정렬 형태를 규명하려는 시도가 이루어져 왔지만, 다양한 실험 조건의 통일성과 이산화티탸늄 나노입자 샘플의 균일성이 우선적으로 보장되어야 하는 어려움을 가지고 있었다. 이러한 이유로 각 실험들에 따라 서로 다른 밴드 정렬 형태가 보고 되어 왔고, 지금까지 하나의 통합된 밴드 정렬 형태에 대한 의견 일치가 이루어 지지 않았다. 이진용 교수 연구팀은 이번 연구에서 양자계산을 활용해 나노입자들의 크기에 따른 밴드 정렬 변화를 최초로 규명하였다. 이번 연구를 통해 예측된 밴드 정렬 변화 경향성은 현재까지 진행된 다양한 이산화티탸늄 광촉매 실험 결과들을 통합적으로 이해하는데 광범위하게 활용될 수 있다는 점에서 연구의 가치가 매우 크다. 

이번 연구를 주도한 성균관대 이진용 교수는 “본 연구가 이론적 예측 결과이지만 상업적으로 가장 활발히 활용되는 이산화티탸늄 소재인 Degussa P25의 밴드 정렬 형태를 올바르게 예측하고 있고, 우리가 최초로 규명한 나노입자 크기 효과는 실제 실험에서 이산화티타늄 샘플에 따라 변하는 광촉매 효율의 차이를 이해하는데 매우 유용한 기초 정보가 될 수 있을 것“ 이라고 전했다.

이 연구는 논문의 제 1저자인 고경철 박사가 수혜 받은 한국연구재단의 리서치펠로우 지원사업 및 대용량 양자계산 수행을 위해 신청한 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터 연구지원사업을 통해 수행되었다.

*논문명: Size-Dependent Level Alignment between Rutile and Anatase TiO2 Nanoparticles: Implications for Photocatalysis