이산화티타늄(titanium dioxide)의 광촉매 특성(photocatalytic property)은 이 재료를 환경 복원을 위한 매력적인 재료로 만들어준다.

 

자외선 여기 조건 하에서 정공-전자 쌍(hole?electron pair)은 이러한 반도체에서 생성되며, 정공-전자 쌍은 다양한 범주의 유기 및 무기 오염물질을 분해하는데 적용될 수 있는 일련의 산화 반응과 환원 반응을 개시한다.

 

이러한 광촉매 반응(photocatalytic reaction)은 액체와 기체 상태 모두에서 작동한다는 사실은 입증된 바 있다. 그 결과, 다양한 영역의 응용이 자가 세정이 가능한 표면, 대기 정화 및 수처리 등을 위하여 출현했다.

스페인 소재 응용 연구 기관인 TECNALIA 소속의 연구진은 최근 저명한 과학 잡지인 Applied Catalysis B: Environmental에 나노재료를 포함하고 있는 표면에 수원 유출(water runoff)에 의해 유발되는 나노재료의 배출을 밝혀냈다.

 

이러한 표면 처리는 수많은 소비 및 건축 제품에 적용되며, 따라서 공학적으로 조작된 나노재료가 환경에 유입되기 시작했다는 증거로서 제시됐다. 최근 몇 십 년 동안 인간과 환경에 대한 나노재료의 독성(toxicity)에 대한 우려가 제기됐으며, 따라서 추가적인 연구가 요구된다.

연구 결과는 이 연구에서 분석된 모든 표면 처리가 표면 처리에서의 특성 및 나노재료의 소실로 악화되고 있다는 것을 암시하고 있다. 이러한 이유로 TECNALIA는 환경으로의 나노재료 배출, 기능성 소실 추정 또는 실제적인 운영 조건 하에서 제품의 행동 양식에 관한 특정 지식을 습득하기 위하여 제품 개발의 최적화를 목표로 하는 나노 재료로 표면 처리를 하고자 하는 특정 회사의 니즈에 적용될 수 있는 매우 특별한 기술적 서비스를 창출했다.

연구의 제목은 “수류 조건 하에서 광촉매 코팅의 노후: 장기적인 운영 수행력과 이산화티탄 나노입자 배출(Aging of photocatalytic coatings under a water flow: Long run performance and TiO2 nanoparticles release)“이며, 나노재료의 가장 성공적인 응용 중 하나인 이산화티타늄 나노입자로 광촉매 표면을 처리하는 것에 초점을 맞추고 있다.

자외선이 조사될 때, 이러한 나노입자들은 물과 공기 중에서 발견될 수 있는 오염물질을 포함하는 유기 재료 존재 하에 분해될 수 있다. 이러한 특성과 표면 처리 방법이 표면에 제공하는 소수성(hydrophobicity) 덕분에, 나노입자는 종종 특정 페인트, 오염 제거용 보도(decontaminant pavements) 또는 아직까지는 실험적 단계에 있는 물과 공기 처리 시스템 등에 응용된다.

비록 광촉매 코팅(photocatalytic coating)이 대부분의 응용에서 심각한 마모를 겪는다고 하더라고, 포괄적인 방법으로 이러한 마모를 조사한 사례는 거의 없다. 이 연구에서 연구진은 수류(water flow) 조건 하에서 광촉매 코팅의 가속되는 노후(aging)를 시뮬레이션하기 위하여 독창적인 실험 도구를 제시했으며, 두 가지 재료에 대하여 이 도구를 테스트했다. 두 가지 재료는 잘 알려진 상용 제품인 자가 세정 기능을 지닌 유리 제품인 Pilkington Activ와 실험용 코팅이다.

자외선과 수원 기질(water matrix) 같은 환경 변수뿐 아니라 화학적 특성과 두께 같은 코팅의 고유 특징이 조사된 한편, 광촉매 코팅의 장기적 수행력(long run performance) 또는 광촉매 코팅의 환경 영향과 관련된 노후의 결과가 세 가지 다른 종료점에서 평가됐다. ① 광촉매 활성의 소실, ② 기계적 특성의 감퇴, ③ 이산화티탄 나노입자의 배출 등이다.

연장된 담금질로 활성 위치의 비활성화를 경험하는 것이 두 가지 광촉매 코팅에서 모두 관찰됐다. 비활성화의 정도는 코팅에 따라 다양하게 나타났으며, 실험용 코팅은 약 20%, Pilkington Activ는 65%로 확인됐다. 그러나 수원 기질 또는 빛에 대한 의존성은 거의 나타나지 않았다.

기계적 특성의 변경은 실험용 코팅에서 관찰됐으며, 150. μg L?1의 높은 이산화티타늄의 배출을 동반했다. 비록 필름 경도(film hardness) 또는 접착력(adhesion)의 감소가 Pilkington Activ에 대한 증거가 될 수 있지만, 30.8 μg L?1에 이르는 이산화티탄 농도가 노후 수원에서 검출됐으며 이러한 사실은 일부 이산화티타늄 나노입자가 재료에서 탈락되어 배출됐음을 보여주는 것이다.

흥미로운 것은 TiO2, NaCl 및 UVA 사이의 상호작용에 의해 촉발된 배출의 일반적인 메커니즘이 규명될 수 있다는 점이다. 대부분의 심각한 손상이 염화나트륨(sodium chloride, NaCl)이 존재할 때 관찰됐다.

 

 이 연구에서 얻어진 결과는 환경 응용에 있어서 표면에 결합되어 있는 광촉매 코팅의 사용이 수용성 매질로 나노재료의 유입을 동반할 수 있다는 것을 제안하고 있다. 또 연구진은 노후 실험이 배출을 평가하는 효과적인 방법이라는 것임을 입증했다.