최근 자성나노입자는 바이오 이미징(MRI 조영제), 바이오 메디컬(약물전달, 발열요법, 자성분리 등), 그리고 리튬이온전지의 음극활물질과 같은 다양한 분야에 적용가능성이 높아서 매우 활발한 연구가 진행되고 있다. 또한 나노사이즈의 이산화티탄은 특별한 전기적, 광학적 성질을 가지고 있어서 광촉매, UV-스크린제, 전기변색 디스플레이, 광전 변환 소재로써 친환경·에너지 분야에 폭넓게 적용되고 있다.
이런 측면에서 자성-이산화티탄 나노복합체는 유해물질을 제거하거나 에너지저장 및 변환에 사용될 수 있는 매력적인 친환경 소재라고 할 수 있다. 본 연구에서는 저온조건(15℃)하에서 APTMS-자성 복합체와 Tetraethyl Orthotitanate(TEOT)간의 sol-gel 반응을 통해서 자성-이산화티탄 코어-쉘 나노복합체(Fe₃O₄@TiO₂)를 제조하였고, 이때 첨가하는 Ti 전구체의 양을 달리함으로써 이산화티탄 캡슐층의 두께를 조절하였다.
SEM 및 TEM 분석을 통해서 자성-이산화티탄 나노복합체의 중심(core)에 마그네타이트(Fe₃O₄) 및 껍질층(shell)에 이산화티탄(TiO₂)의 형성을 확인하였다. VSM 분석을 통해서 이산화티탄 캡슐층의 두께에 따라 코어-쉘 나노복합체의 자성 값이 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 XRD 분석을 통해 500℃ 공기 중에서 강열된 코어-쉘 나노복합체의 캡슐층이 아나타제(anatase) 결정상임을 확인할 수 있었다.
자성-이산화티탄 나노복합체의 광촉매 특성을 살펴보기 위하여 UV 조사하에 유기성분(methylene blue)에 대한 광분해효율을 측정한 결과, 상업적으로 시판되는 Degussa P25와 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 또한 나노복합체의 중심부분에 자성입자가 들어있어서 광촉매 반응 후에 회수가 가능하였고, 다시 재사용한 결과 광분해 효율의 큰 차이가 없음을 확인하였다. 나노복합체의 광촉매 활성을 향상시키기 위해 나노복합체 표면에 메탈(금 혹은 은)을 도핑한 결과 광분해 효율이 30%이상 향상되었고, 이는 PL 분석을 통해서 전자-정공의 분리효율이 향상된 것에 기인한다고 볼 수 있다.
자성-이산화티탄 나노복합체를 리튬이온이차전지의 음극활물질로써의 전기화학적 특성을 살펴보기 위해 C-V(Cyclic Voltagram) 테스트를 한 결과, 나노복합체의 코어-쉘인 Fe₃O₄와 TiO₂의 산화·환원전위가 각각 0.8V, 1.8V, 그리고 1.7V, 2.1V로 측정되었다. 용량변화 테스트에서는 쉽게 산화되는 마그네타이트의 특성상 충방전 사이클이 증가함에 따라 마그네타이트의 용량이 급속히 감소하였지만, 이산화티탄층이 얇게 코팅된 나노복합체의 경우에는 상대적으로 용량 감소폭이 상당히 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 이는 외각에 형성된 이산화티탄 캡슐층이 마그네타이트의 산화·환원 반응에 따른 열화효과를 효과적으로 감소시켜준 것에 기인한다고 볼 수 있다. 따라서 이산화티탄 캡슐층의 두께가 얇고 다공성 형태로 제조되면 리튬이온 전지의 음극활 물질로써 성능이 더욱 향상될 것으로 기대된다.