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[IT뉴스]'뜨거운 전자'로 고효율 광촉매 설계…수소 생산·이산화탄소 전환 활용

온카뱅크관리자

2026-07-27 11:37:30

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        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="9W8t7rDgnd">
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="5199307f25020d481e4998682b94e5287c9842ca5c591e2b15c56b25b45f655d" dmcf-pid="2Y6FzmwaRe" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="망간 이온의 스핀 교환을 통해 고에너지 전자의 여분 에너지를 광촉매(광환원) 반응에 쓰는 원리. UNIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/27/dongascience/20260727113138800ethy.png" data-org-width="680" dmcf-mid="KqRu9hIkJJ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/27/dongascience/20260727113138800ethy.png" width="658"></p>
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            망간 이온의 스핀 교환을 통해 고에너지 전자의 여분 에너지를 광촉매(광환원) 반응에 쓰는 원리. UNIST 제공
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          <p contents-hash="ab4fa31ca9fa98eda1e1744bbe2255bdda0f2882e51c5707282615088886d5f5" dmcf-pid="VGP3qsrNMR" dmcf-ptype="general">그동안 활용이 어려웠던 양자점 내부 고에너지 전자(hot electron)의 여분 에너지를 화학 반응에 효과적으로 사용해 광촉매의 반응 효율을 향상하는 방법이 개발됐다. 수소 생산이나 이산화탄소 전환 기술에 응용될 것으로 기대된다.</p>
          <p contents-hash="da8f996234dae837c2fb1e7428ee8eea15895b1bafe5445329e264b5f39deb24" dmcf-pid="fHQ0BOmjMM" dmcf-ptype="general"> 울산과학기술원(UNIST)은 진호 화학과 교수가 빅터 클리모프 미국 로스앨러모스국립연구소 연구원팀과 함께 양자점 내부의 망간(Mn) 이온이 고에너지 전자의 에너지를 분자로 중개하는 스핀 교환 반응을 규명했다고 27일 밝혔다. 6월 26일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.</p>
          <p contents-hash="0d5e0c8addfea2a62732419ac3ef5f0241443b4e7d24975ead9a4142e38b9db9" dmcf-pid="4XxpbIsAMx" dmcf-ptype="general"> 양자점은 수 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 크기의 작은 반도체 결정으로 크기, 모양, 성분 조성을 정밀하게 조절해 탄력적으로 다양한 특성을 구현할 수 있는 첨단 소재다. 양자점이 빛을 흡수하면 내부 전자의 에너지 상태가 높아진다. 고에너지 전자를 다른 분자로 넘기면 태양광 수소 생산이나 이산화탄소 전환의 광환원 반응을 일으킬 수 있다.</p>
          <p contents-hash="97bfe26840c64d4e329ea6c5d9e561bf69a684b649eeec21cd294d2d27e7983e" dmcf-pid="8ZMUKCOciQ" dmcf-ptype="general"> 고에너지 전자는 수조분의 1초 만에 에너지를 잃는다. 연구팀은 전자가 에너지를 잃기 전에 광환원 반응에 활용하기 위해 셀렌화카드뮴(CdSe) 양자점 내부에 자성을 띠는 망간 이온을 추가했다.</p>
          <p contents-hash="066cafac3801be8883d05f67638ead3be5ceee0420d84a7b8a00b28e62a8a474" dmcf-pid="69EQiF1yRP" dmcf-ptype="general"> 망간 이온이 고에너지 전자가 포함된 전자·정공 쌍과 초고속 스핀 교환을 일으켜 열로 사라질 에너지를 받아낸 다음 망간 이온이 원래 스핀 상태로 돌아가는 과정에서 전자가 분자로 이동하면서 광환원 반응이 일어나는 원리다.</p>
          <p contents-hash="bf6c87b17ce068b4ae7ff2fe24265666ae1f73d2eab2976b9f32d317c05e2a6c" dmcf-pid="P2Dxn3tWJ6" dmcf-ptype="general"> 정공은 전자가 빠져나가 양전하를 띠는 자리, 스핀은 전자에서 방향과 크기를 갖는 물리량을 말한다. 스핀 교환은 전자의 스핀이 서로 영향을 주고받으면서 위치가 바뀌고 그 과정에서 에너지가 전달되는 현상이다.</p>
          <p contents-hash="7001fa3cc4883243b8e0ea7948a36c05b3b4cdc82457f380eddb93ef7287723f" dmcf-pid="QVwML0FYL8" dmcf-ptype="general"> 연구팀은 '펨토초 과도흡수 분광법'을 이용해 망간이 추가된 양자점의 광환원 반응을 자세히 관찰했다. 시료에 매우 짧은 간격으로 레이저를 비춘 뒤 빛의 흡수 변화를 측정해 전자와 에너지가 움직이는 과정을 추적하는 분석법이다.</p>
          <p contents-hash="b191cfd4fa0bc03edb316e86d1dbf07498b6250fcd73c32816d8374893be17a3" dmcf-pid="xfrRop3Gi4" dmcf-ptype="general"> 실험 결과 고에너지 전자는 수백 펨토초(fs, 1fs는 1000조분의 1초) 내에 망간 이온과 매우 빠른 스핀 교환을 일으키고 전자 수용체 역할을 하는 유기 분자인 메틸 바이올로젠으로 전달돼 광환원 반응을 유도했다. 기존 양자점에서는 거의 일어나지 않던 광환원 반응이 효율적으로 발생하고 전자 전달 속도가 기존 대비 10배 이상 향상됐다.</p>
          <p contents-hash="d58ca555db92ee6ea557ceac382bce85ca44ac338629d392ab49205734bb9bb9" dmcf-pid="yCbYtjaeMf" dmcf-ptype="general"> 진 교수는 "기존에는 반도체와 반응 분자 간의 에너지 준위가 맞지 않으면 전자 전달이 에너지적으로 불리해 광환원 반응을 일으키기 어려웠다"고 설명했다. 스핀 교환으로 전자의 여분 에너지를 활용해 반응을 일으키는 새로운 광촉매 메커니즘을 입증한 것이다.</p>
          <p contents-hash="b6bc597be93922a7561c819345aa22e0774cbd9bd48488fc54f4a40f3e77089b" dmcf-pid="WhKGFANdRV" dmcf-ptype="general"> 진 교수는 "이번 연구결과는 향후 태양광 기반의 수소 생산이나 이산화탄소 전환을 위한 차세대 고효율 광촉매 설계에 중요한 역할을 할 것"이라고 밝혔다.</p>
          <p contents-hash="d46aa55cc475e7a1a66b71af5b01b618ffa0900c6962a8fe3f2584e54e559f2d" dmcf-pid="Yl9H3cjJM2" dmcf-ptype="general"> &lt;참고 자료&gt;<br> - doi.org/10.1038/s41467-026-74659-9</p>
          <p contents-hash="d9863736a5e82963018585e05126ef27f00986ca6d4cf18101f2cc47ae0b0db6" dmcf-pid="GS2X0kAiR9" dmcf-ptype="general">[이병구 기자 2bottle9@donga.com]</p>
         </section> 
        </div> 
        <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.</p>

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