무기화학 분야 국제학술지 Inorganic Chemistry Communications(JCR 상위 12.2%)논문 게재

충격파를 활용한 SrSnO₃ 나노로드 기반 수질오염 정화 기술 개발

충격파및기체역학 실험실 김익현 교수 연구팀이 화학적 도핑이나 별도의 첨가제 없이 충격파 유동만을 이용해 나노소재의 구조적 결함과 전자적 특성을 조절하고, 광촉매 성능을 향상할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 이번 연구성과는 국제학술지 Inorganic Chemistry Communications에 "Unveiling shock-wave-driven structural and electronic evolution in SrSnO₃ nanorods for advanced photocatalytic remediation" 라는 제목으로 게재됐다. 논문에는 김익현 교수가 교신저자로, 충격파및기체역학 실험실의 Sivaprakash 박사연구원이 제1저자로 참여했다.

이번 연구에서는 광촉매와 센서, 에너지 저장 및 전자소자 분야에서 활용 가능성이 높은 스트론튬 주석 산화물(SrSnO₃) 나노로드를 연구 대상으로 선정했다. SrSnO₃는 우수한 화학적·열적 안정성과 광학적 특성을 가진 페로브스카이트계 산화물이다. 그러나 기존에는 광촉매 성능을 높이기 위해 금속이나 비금속 원소를 첨가하거나 다른 소재와 복합화하는 화학적 처리 방법이 주로 사용돼 왔다.

연구팀은 이러한 기존 방식에서 벗어나 순간적으로 형성되는 고온·고압의 충격파를 물리적 에너지원으로 활용했다. 공침법으로 합성한 SrSnO₃ 나노로드에 충격파를 반복적으로 가하고, 처리 전후의 결정 구조와 표면 형상, 전자구조 및 광촉매 특성을 체계적으로 분석했다. 분석 결과, SrSnO₃는 반복 충격파에 노출된 이후에도 기존의 사방정계 페로브스카이트 결정구조를 안정적으로 유지했다. 새로운 결정상이 형성되거나 주요 결정 구조가 붕괴하지 않았으며, 이는 해당 소재가 급격한 압력과 온도 변화에 대해 높은 구조적 안정성을 갖는다는 것을 보여준다. 반면 회절 피크의 미세한 이동과 반가폭 변화가 관찰돼 충격파가 결정격자의 수축과 팽창, 미세변형 및 동적 재결정에 영향을 미친 것으로 확인됐다.

초기 충격파 처리 단계에서는 불균일하게 생성된 과도한 결함이 전자와 정공의 재결합 중심으로 작용해 광촉매 성능이 일시적으로 감소한 것으로 분석됐다. 반면 충격파가 반복되면서 결함이 재배열되고 산소 공공과 활성점이 적절한 수준으로 조절돼 전하 분리와 계면 전하 전달이 개선됐다. 결과적으로 300회 처리 조건에서는 전자와 정공의 재결합이 억제되고 오염물질 분해에 참여하는 활성산소종의 생성이 촉진됐다.

이번 연구의 가장 큰 의의는 충격파를 극한 환경에서 소재의 손상과 파괴를 유발하는 대상으로만 보지 않고, 기능성 나노소재의 결함과 전자구조를 능동적으로 설계하는 공정 기술로 활용했다는 점이다. 기존의 도핑이나 복합화 공정은 원료 조성의 변화, 불순물 생성 및 추가적인 후처리 과정을 수반할 수 있다. 반면 충격파 기반 공정은 소재의 화학 조성을 변경하지 않고도 압력과 온도, 처리 횟수 등의 물리적 변수를 통해 소재 특성을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 특히 SrSnO₃와 같은 페로브스카이트 소재를 대상으로 충격파에 의한 결함 형성, 동적 재결정, 나노로드 파단 및 전자구조 변화가 광촉매 반응에 미치는 영향을 종합적으로 규명했다는 점에서 학술적 의미가 크다. 기존에 충분히 연구되지 않았던 SrSnO₃의 충격파 기반 결함공학 가능성을 제시하고, 이를 실제 수질오염 물질의 광촉매 분해 성능과 연결했다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.inoche.2026.117151