3D 나노기술 블랭킷, 깨끗한 식수를 위한 새로운 길을 제시하다

연구자들은 태양광의 힘을 이용해 물 속의 위험한 오염 물질을 정화할 수 있는 새로운 물질을 개발했습니다.

연구팀은 부드러운 화학 젤과 전기방사(액체에 전기적 힘을 가해 작은 섬유를 만드는 기술)를 결합하여 태양 전지, 가스 센서 및 다양한 자체 세척 기술에 종종 활용되는 화합물인 이산화티타늄(TiO₂)의 얇은 섬유 모양 스트립을 만들었습니다.

훌륭한 대체 에너지원임에도 불구하고 TiO₂ 나노입자를 활용하는 태양 연료 시스템은 비가시 자외선을 흡수하여 광촉매 작용이나 화학 반응만 일으킬 수 있기 때문에 전력이 제한되는 경우가 많습니다. 이는 낮은 효율성과 복잡한 여과 시스템의 필요성을 포함하여 구현에 상당한 어려움을 초래할 수 있습니다.

하지만 연구자들이 이 과정을 개선하기 위해 재료에 구리를 첨가했을 때, 나노매트라고 불리는 새로운 구조가 공기와 물에서 유해한 오염 물질을 분해할 수 있을 만큼 충분한 광 에너지를 흡수할 수 있었다고, 이 연구의 주저자이자 오하이오 주립 대학의 재료 과학 및 공학 교수인 펠라지아-이렌 고우마는 말했습니다.

"물 위에 눕고 에너지를 생성할 수 있는 담요 같은 것을 만드는 쉬운 방법은 없었습니다." 그녀는 말했다. "하지만 이런 구조물을 만든 사람은 우리뿐이고, 실제로 작동한다는 것을 보여준 사람도 우리뿐입니다."

해당 연구는 최근 Advanced Science 저널에 게재되었습니다.

이산화티타늄이 빛을 흡수하면 물을 산화시키고 오염 물질을 공격하는 전자가 형성되어 오염 물질이 양성이 될 때까지 천천히 파괴합니다. 구리를 첨가하면 이 과정이 과급되어 더욱 효과적입니다.

이를 확인하기 위해 연구자들은 나노매트의 업데이트된 특성을 특성화하여 나노매트가 어떻게 동작하는지, 그리고 다른 자체 세척 나노입자와 무엇이 다른지 이해하기 위해 노력했다고 Gouma는 말했습니다.

놀랍게도 연구자들은 기존 태양 전지와 비교했을 때 이러한 나노매트가 자연광 아래에 놓았을 때 전력 생산에 더 성공적일 수 있다는 것을 발견했습니다.

"이 나노매트는 발전기로 사용할 수도 있고, 물 정화 도구로 사용할 수도 있습니다." 그녀는 말했습니다. "두 가지 방법 모두 지금까지 보고된 것 중 가장 높은 효율을 가진 촉매를 갖게 됩니다."

가볍고 제거하기 쉬운 이 섬유 매트는 어떤 수역에도 떠서 작동할 수 있으며 여러 번의 세척 주기를 거쳐 재사용할 수도 있습니다. 나노매트는 매우 효과적이기 때문에 연구자들은 개발도상국의 물에서 산업 오염 물질을 제거하고 오염된 강과 호수를 깨끗한 식수원으로 전환하는 데 사용할 수 있을 것으로 예상합니다.

또한, 이 기술은 일부 태양 전지 시스템과 같이 독성 부산물을 생성하지 않기 때문에 나노매트는 매우 환경 친화적입니다. "안전한 소재이고, 아무것도 해치지 않으며, 가능한 한 깨끗합니다."라고 Gouma는 말했습니다.

그래도 이 팀의 기술은 엄청나게 효율적이지만 상업적으로 확장하는 데 걸리는 시간은 산업이 제품을 얼마나 빨리 주목하느냐에 달려 있습니다. "우리는 대량으로 생산하고 다양한 산업으로 전환할 수 있는 도구를 가지고 있습니다."라고 Gouma는 말했습니다. "유일한 한계는 이 풍부한 자원을 활용할 사람이 필요하다는 것입니다."

전반적으로, 이 연구 결과는 나노매트가 환경 개선과 같은 장기적 지속 가능성을 위한 노력뿐만 아니라 태양광을 이용한 수소 생산을 포함하여 미래의 여러 광촉매 응용 분야에서 유망한 도구가 될 수 있음을 시사합니다.

그동안 연구팀은 재료를 더욱 최적화하는 방법을 연구할 계획입니다.

"이 소재는 새로운 형태의 나노기술 측면에서 완전히 새로운 것입니다." 고우마가 말했다. "정말 인상적이고 우리가 매우 기대하는 것입니다."

다른 오하이오 주립 공동 저자로는 Fateh Mikaeilia와 Mohammad Mahafuzur Rahaman이 있습니다. 이 연구는 National Science Foundation의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250324141946.htm