맥신(MXene)은 이산화탄소를 탄화수소로 전환하는 고효율 광촉매 시스템을 설계하기 위한 표면 활성 소재다. 하지만 제한적인 활성점과 산화에 취약하다는 한계가 있다. 국내 연구팀이 수분이 포함된 환경에서 안정성을 유지하는 표면 개질한 맥신(f-MXene)을 개발했다.
디지스트(DGIST·총장 이건우)는 인수일 에너지공학과 교수 연구팀이 인인식 한국교통대학교 교수, 이태경 한양대 교수, 수라탭 케아홈 태국 쭐랄롱꼰대 교수 연구팀과 공동으로 물에 취약한 신소재 '맥신'의 안정성을 높여 이산화탄소를 메탄으로 효율적으로 전환하는 광촉매 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 연구팀은 맥신 표면을 고분자로 보호하고 구리(Cu) 나노입자를 결합해 촉매 성능을 높이는 한편, 이산화탄소 전환 과정의 작동 원리도 규명했다.
최근 연료나 화학제품의 원료로 활용하는 '탄소 포집·활용(CCU)' 기술이 주목받고 있다. 특히 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄 등 유용한 연료로 바꾸는 '인공 광합성' 기술은 온실가스를 자원으로 전환할 수 있어 많은 관심을 받고 있다.
연구팀은 이산화탄소 전환 효율을 높이기 위해 전기전도성이 뛰어난 2차원 나노소재 '맥신'에 주목했다. 하지만 맥신은 물과 산소에 노출되면 쉽게 산화돼 성능이 떨어지는 한계가 있다. 이에 연구팀은 맥신 표면에 유기 고분자를 결합해 보호막을 형성하는 '표면 개질' 기술을 적용해 물이 있는 환경에서도 안정적으로 성능을 유지하도록 했다.
이어 표면 개질 맥신(f-MXene)에 빛을 받아 화학반응을 일으키는 환원 이산화티타늄(RT)과 구리 나노입자를 결합해 새로운 광촉매를 제작했다. 맥신은 전자의 이동을 돕고, 구리는 이산화탄소가 메탄으로 전환되는 반응을 촉진해 전체 반응 효율을 높인다.
실험 결과, 연구팀이 개발한 Cu/f-MXene/RT 광촉매의 메탄 생산량은 18.1μmol/g으로, 환원 이산화티타늄(RT)만 사용했을 때보다 약 200배 높은 성능을 나타냈다. 연구팀은 실험과 이론 계산을 통해 표면 개질 맥신과 구리 나노입자가 전자 이동과 메탄 생성 반응을 촉진하는 원리도 확인했다.
인수일 교수는 “이번 연구는 물과 빛에 취약했던 맥신의 표면을 제어해 광촉매의 안정성과 이산화탄소 전환 성능을 동시에 높였다는 데 의미가 있다”며 “향후 태양광을 활용해 이산화탄소를 메탄 등 유용한 연료로 전환하는 탄소 자원화 기술에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 한국연구재단의 나노미래소재원천기술개발사업, 교육부의 기초과학연구사업, 산업통상부의 산업기술혁신사업 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 에너지·재료 분야 국제학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
