분광법을 이용한 에너지 하베스트-스토리지 소재 특성 분석
정보화 시대에 필요한 휴대형 정보기기들의 소형화, 경량화 및 박막형 화에 가장 핵심적인 기술 중의 하나는 고 에너지 밀도를 가지는 새로운 에너지 공급원을 갖추는 것이다. 현재 리튬-이온 전지, 리튬이온-고분자 전지 등이 이러한 요구 조건을 일부 만족하여 사용되고 있으나, 고 에너지 밀도를 가지고 주변에서 손쉽게 생산할 수 있는 친환경/고성능 에너지 소재의 개발이 필요하다. 본 세부 주제에서는 플라즈모닉 나노입자 및 다양한 하이브리드 입자들의 고에너지 전자 발생, 계면 전자 전달현상, 에너지 저장 등을 분광학적인 방법으로 규명하고자 한다. 이를 통해 신규 에너지 하베스트 및 스토리지 용 소재의 개발하고자 한다.
분광법을 이용한 플라즈모닉 나노입자의 광학적 특성 및 계면 전자 전달 현상 규명
최근 플라즈모닉 금 나노입자들은 localized surface plasmon resonance (LSPR, 그림 7)에 기인한 독특한 광학적 특성으로 인해 광촉매, 바이오센서, 약물전달체, 광열 암치료 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 플라즈모닉 나노입자의 광학적 특성은 입자의 크기 및 모양, 주변 매질의 굴절률 등에 크게 의존함으로, 나노입자를 다양한 분야에 더욱 효율적으로 활용하기 위해서는 단일 입자 수준에서 3차원 구조와 광학적 특성 사이의 관계를 명확히 규명하는 것이 중요하다. 따라서 다양한 구조의 3차원 나노입자를 합성하고, 빛의 산란에 기초한 암시야 현미경 및 라만 분광법을 이용하여 단일 입자 수준에서 합성된 나노입자들의 광학적 특성을 규명하는 연구를 수행하고자 한다. 이러한 기초 연구는 금 나노입자의 3차원 구조-특성 간의 상관관계를 이해하는데 도움이 될 것이다.
<그림 5> 전고체전지의 구성단면도, 이온전도도
플라즈모닉 나노입자 및 하이브리드 입자 기반의 신규 에너지 하베스트 및 저장 소재 개발
플라즈모닉 금 나노입자들이 LSPR 파장의 빛 (또는 에너지)을 흡수하면 표면에서 총체적인 전자들의 공명현상이 일어나고, 이 때 흡수된 에너지는 복사 및 비복사 이완과정을 통해 에너지 손실이 발생하게 된다. 특히, 금 나노입자들은 대부분의 에너지가 빛이 아닌, 열로 전환이 되어 에너지 손실이 일어나게 되고, 특히 최근에 LSPR 비복사 이완과정에서 고에너지의 전자 (hot electron)가 표면에 생성된다는 것이 밝혀졌다. 최근 이러한 고에너지 전자들을 다양한 광화학반응 및 광분자 반응에 활용하고자 하는 연구들이 많이 이루어지고 있다. 이러한 응용 연구를 효율적으로 수행하기 위해서는 우선 고에너지 전자들과 나노입자 표면에 흡착된 분자들 간의 전자 전달 현상 (또는 에너지 전달)을 규명하는 기초 연구들이 필요하다. 본 세부 과제에서는 금 나노입자에서 생셩된 플라즈몬 고에너지 전자들이 표면에 흡착된 분자로 전달되는 현상을 규명하고자 하고, 특히 thiol 그룹 (-SH)과 같이 금 나노입자 표면에 강한 흡착을 하고 soft-soft covalent 결합을 통해 전자를 당기는 특성을 지닌 분자를 이용하여, 비공명 조건에서 금으로부터 흡착 분자로의 에너지 전달 현상을 규명하고자 한다. 아울러, 이 때 발생하는 계면 흡착 분자 유도 플라즈몬 에너지 손실, 즉 화학 계면 감쇠 (chemical interface damping, CID, 그림 8) 현상을 단일 입자 산란 분광법을 통해 규명하고자 한다.
<그림 8> 화학 계면 감쇠 현상의 모식도
초분자 기반의 호스트-게스트 상호작용 및 고에너지 전자의 계면 전달 현상
플라즈모닉 화학 계면 감쇠 현상 (CID) 연구에서 주로 thiol 분자들을 흡착 분자로 많이 이용하였다. 하지만, 본 세부 과제에서는 한 걸음 더 나아가 배위결합이 원동력인 자체 조립을 이용하여 합성된 초분자를 금 나노입자 표면에 흡착을 시켜 호스트 분자로 활용하고, 다양한 게스트 분자 (또는 물질)에 대한 호스트-게스트 상호작용에 기반한 플라즈몬 에너지 전달 (전자 전달) 현상을 규명하고자 한다. 이러한 호스트-게스트 접근을 통해 다양한 게스트 분자에 따른 플라즈몬 에너지 손실 (CID) 현상을 연구하고, 궁극적으로 전자전달 현상의 조절 (tuning), 에너지의 하베스팅 및 저장, 고에너지 전자 전달 등에 대한 이해를 높이고자 한다.
본 연구에서는 호스트 물질인 초분자의 합성 및 활용이 중요하고, 배위결합이 원동력인 자체조립 반응 시 주개와 금속 받개에 존재하는 작용기를 조절하고 변화시킴으로써 주개 사이, 받개 사이 또는 주개와 받개 사이의 π-π 작용, CH-π 작용을 최대화시켜 결국은 열역학적으로 최고 안정된 구조를 가역적으로 합성하고자 한다. 그리고 특정 분자나 이온, 단백질과 같은 게스트 물질들의 호스트와의 분자인식 현상을 통해 고에너지 전자 전달 (에너지 전달) 현상이 어떻게 달라지는지를 금 나노입자의 산란 스펙트럼에서의 LSPR linewidth (or full width at half maximum, FWHM)의 변화(e.g., LSPR broadening)를 통해 규명하고 상관관계를 정량적으로 밝히는 연구를 수행하고자 한다.
플라즈모닉/하이브리드 나노입자에서 발생되는 고에너지 전자를 활용한 광화학 및 수소생성 반응 연구
본 세부과제는 플라즈모닉 나노입자/ 하이브리드 나노입자로부터 고에너지 전자의 하베스팅 및 활용에 대한 것이다. 플라즈모닉 나노입자에서 발생되는 고에너지 전자는 아래 그림 9과 같이, 다양한 광화학반응 및 광촉매 반응에 활용이 가능하다. 본 과제에서는 라만분광법 및 단일 입자 산란분광법을 활용하여 금 나노입자 표면에 흡착된 분자들이 고에너지 전자들에 의해 유도되는 광화학 산화/환원 반응 연구를 수행하고자 한다. 보다 구체적으로 4-aminothiophenol이 고에너지 전자에 의해 4-nitrothiophenol로의 전환에 관한 연구, 고에너지 전자에 의한 이산화탄소의 전환 반응 연구, 고에너지 전자에 의한 물 분해반응 및 수소 생성 연구 등을 수행하고자 한다. 나아가 다양한 모양의 순수한 플라즈모닉 나노입자 뿐만 아니라, 고에너지의 전자의 하베스팅 및 광화학 반응 참여 효율을 증대시키기 위해 금속-반도체 하이브리드 나노입자를 합성하여 광화학 및 수소생성 반응 연구를 수행하고자 한다.
<그림 9> 플라즈몬 고에너지 전자에 의한 수소분자의 분해 반응 [N. Halas et al., Nano Lett. 13, 240 (2013)]