광촉매

광촉매(光觸媒)는 특정 반응에서 반응 속도에 영향을 주는 촉매를 말한다.

촉매란 일단 기본적으로 어떤 반응에서 자신의 상태는 그대로 유지한 채 반응 속도를 빠르게 하거나 느리게 하는 물질을 의미하는데 보통 촉매라 하면 반응 속도를 빠르게 하는 정촉매를 의미한다. 광촉매도 일반 촉매처럼 반응 속도에 영향을 주는 물질들인데 이름에서도 나타나듯이 특이한 점은 빛을 받아들여 화학반응에서 반응 속도에 영향을 준다는 점이다. 광촉매 또한 주로 반응을 촉진시키는 정촉매의 역할을 하는 것이 많다. 이러한 광촉매를 사용해서 일으키는 반응을 광촉매 반응이라고 한다.

기본 촉매 반응과의 차이

기존 촉매의 정의는 앞에서도 언급했듯이 자신의 상태는 그대로 유지한 채 반응 속도를 빠르게 하거나 느리게 하는 물질을 의미한다. 그러나 광촉매는 빛이 기존의 촉매의 역할을 하는 것이 아니라 광촉매라고 불리는 몇몇 물질들이 빛을 받아서 촉매로써의 역할을 한다는 점에서 기존의 촉매 반응과는 차이가 있다.

기본적인 광촉매 물리학적 반응 원리 및 메커니즘

간단한 반응 원리 및 기본적인 메커니즘

일단 광촉매 반응은 대상 물질에 따라서 다양한 메커니즘을 보인다. 다양한 광촉매 반응들에서 공통적으로 나타나는 기본적인 반응 원리를 살펴보자면 이산화 티타늄(TiO₂) 같이 광촉매로 주로 사용되는 물질에 빛을 쪼이게 되면 표면에 전자(e^-)와 정공(+ 전하를 가진 전자와 같은 거동을 하는 입자)가 생기게 되고 전자는 광촉매 표면에 있는 산소와 반응해서 슈퍼옥사이드 음이온(O₂^-)을 만든다. 또한 정공은 공기 속에 존재하고 있는 수분과 반응하여 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical, 중성 OH)을 만들게 된다. 이 때 생성된 하이드록실 라디칼은 강력한 유기물질들을 산화분해 할 수 있는 능력이 매우 뛰어나기 때문에 공기 속에서 항상 존재하고 있는 악취물질, 바이러스, 박테리아 같은 세균 등을 분해하여 물과 이산화탄소로 바꾸어 버리게 된다. 이러한 이유로 광촉매 반응은 주로 효과적으로 오염물질을 제거하기 위한 환경정화 공정에 쓰이고 있다. 광촉매 반응은 1967년 당시 도쿄대 대학원생이던 후지시마 아키라가 발견했다.

광촉매로 쓰이는 물질

사용조건

광촉매는 일반 촉매와는 약간 다른 반응 메커니즘을 가지기 때문에 어떤 물질이 광촉매로써 활용되기 위해서는 몇 가지 조건을 만족시켜야 한다. 첫 번째로 일단 광촉매는 빛을 받아들여서 촉매 역할을 해야 하기 때문에 광학적으로 활성이 있으면서도 광부식이 없는 물질이어야 한다. 광학적으로 활성이 있어야지 빛을 쪼였을 때 빛에 반응을 할 것이고 광부식이 일어나지 않아야만 계속해서 빛을 쪼일 수 있기 때문에 이 조건을 일단 만족하는 물질이어야 한다. 두 번째로 빛 외에는 반응하지 않는 물질이 내구성도 뛰어나고 좀 더 효과적인 광촉매 반응을 만들어 낼 수 있기 때문에 화학적으로나 생물학적으로는 비활성인 물질이 유리하다. 마지막으로 가시광선이나 자외선 영역의 빛 등 다양한 종류의 빛을 이용할 수 있는 물질이어야 하고 가장 중요하게 경제적인 측면에서 저렴한 물질이어야 한다. 앞에 조건들을 아무리 충실히 만족시키는 물질이라 하더라도 가격이 너무 비싸다면 광촉매로써 실용화 시키는 데에 큰 어려움이 있기 때문이다.

사용 가능한 물질의 장점 및 특성

이러한 까다로운 조건들과 빛에 대한 활성을 모두 고려해 보았을 때 광촉매로써 가장 적합한 물질은 현재 가장 많이 상용되고 있는 이산화 타이타늄(TiO₂)이다. 일단 이산화 티타늄은 빛을 쪼여도 자신은 변하지 않고 그대로 있기 때문에 반영구적인 사용이 가능하고 내구성, 내마모성이 뛰어나기 때문에 경제적인 측면에서 유리하다. 또한 염소나 오존보다 산화력이 높기 때문에 뛰어난 살균력을 갖고 있어 모든 유기물질을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 마지막으로 이산화 티타늄은 그 자신이 환경에 부정적인 영향을 끼치지 않는 안전한 무독 물질이기 때문에 폐기했을 때 2차 공해에 대한 우려 또한 없다. 이렇게 가장 널리 쓰이고 있는 이산화 티타늄도 온도에 따라 다른 결정구조를 가지면서 루틸(Rutile)과 아나타제(Anatase) 두 종류가 존재하며, 이 외에도 ZnO, ZrO₂, WO₃, 페롭스카이트형 복합 금속산화물 등이 광촉매로써 사용 가능한 물질이다.

광촉매 반응의 실생활적용

실생활 적용기술

광촉매 반응은 가전제품, 도로, 차량, 대기처리, 의료관련, 수질처리 등 다양한 분야에서 실용화되고 있는 상태이다. 예를 들어, 여러 국가에서 광촉매 반응을 이용하여 흔히 말하는 새집증후군, 헌집증후군 등의 원인이 되는 각종 휘발성 유기화합물, 포름알데히드 등을 분해 제거하고 있다. 이처럼 현재 광촉매 반응은 에너지, 환경 측면에서 각광받고 있는 대표적인 미래기술 중 하나이다. 이에 따라 현재는 에너지, 환경 분야에서 활발하게 활용되고 있는 편이다. 일단 크게 특별한 에너지 없이도 빛만으로 지구 곳곳에 퍼져 있는 오염물질을 쉽게 제거할 수 있기 때문에 유해 유기물과 대기 오염물질을 분해 제거하는 데에 적극적으로 활용되고 있다. 또한 광촉매 반응의 또 다른 대표적인 반응인 광분해 반응을 통하여 물로부터 수소와 산소를 얻어낼 수 있기 때문에 차세대 에너지와 환경 문제에 대해서도 광촉매 반응에 대한 연구가 해답을 제시해 줄 수 있을 것으로 기대된다. 이 외에도 광촉매의 높은 제거 효율을 이용해 공기 중의 미세먼지를 효율적으로 제거하는 공기청정기 기술, 물 속의 계면활성제나 유기물들을 분해하는 정수기 기술, 여러 가전제품에서의 냄새 제거 기술, 오염물질이 많이 존재하는 도로 상에서의 활용 등 광 촉매 반응은 현재 여러 분야에 적극적으로 적용되고 있다.

효과 및 장점

다른 촉매들에 비해서 광촉매가 가지고 있는 가장 큰 장점은 아주 높은 온도에서만 일어나는 반응도 실온에서 일으킬 수 있다는 점이다. 기본적으로 어떤 반응이 일어나려면 정해진 양 이상의 활성화 에너지를 갖고 있어야 한다. 촉매는 이러한 활성화 에너지의 양을 낮춤으로써 어떤 반응 이 좀 더 빠르게 일어날 수 있도록 돕는 역할을 한다. 광촉매 또한 이 역할을 효율적으로 해냄으로써 아주 고온에서만 일어나는 반응을 실온에서도 일으킬 수 있게 만들어 주었다. 다음으로 광촉매의 또 다른 큰 장점은 원하는 시점에 반응을 정지시킬 수 있다는 점이다. 일반적인 촉매를 이용하면 반응물이 모두 사라져서 더 이상 반응이 가능하지 않을 때까지 반응을 중간에 정지시키기가 거의 불가능하다. 그러나 광촉매를 이용하게 되면 간단하게 빛을 더 이상 공급하지 않음으로써 반응을 도중에 정지시킬 수 있기 때문에 매우 유용하다. 이 외에도 광촉매 반응은 많은 장점들을 갖고 있기 때문에 활발하게 연구되고 있다.