DGIST, 이산화탄소 메탄 전환 성능 200배 높인 광촉매 개발

고분자 보호막으로 맥신의 수분 취약성 개선....태양광 활용 탄소 자원화 기술 발전 가능성 제시

[프라임경제] DGIST 연구진이 수분에 취약한 나노소재 맥신(MXene)의 단점을 보완하고, 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 효율을 크게 높인 광촉매 기술을 개발했다.

광촉매 합성 방법 모식도. ⓒ DGIST

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀은 한국교통대학교 인인식 교수, 한양대학교 이태경 교수, 태국 쭐랄롱꼰대학교(Chulalongkorn University) 수라텝 키아홈 교수 연구팀과 공동으로 맥신(MXene)의 표면을 고분자로 처리하고 구리 나노입자를 결합해 촉매의 안정성과 반응 성능을 개선했다고 밝혔다.

이번 연구는 온실가스인 이산화탄소를 유용한 연료로 전환하는 탄소 포집·활용(CCU) 기술의 효율을 높일 수 있다는 점에서 주목된다. 

특히 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄 등 에너지원으로 바꾸는 인공 광합성 기술은 탄소를 자원으로 재활용하는 차세대 기술로 연구되고 있다.

연구팀이 주목한 맥신은 전기전도성이 우수한 2차원 나노소재로, 촉매 내부의 전자 이동을 돕는 데 활용할 수 있다. 다만 물과 산소에 노출되면 표면이 산화돼 성능이 저하될 수 있다는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 맥신 표면에 유기 고분자 보호층을 형성하는 표면 개질 기술을 적용했다. 

이를 통해 수분이 존재하는 조건에서도 소재의 안정성을 높이고 촉매 기능을 유지할 수 있도록 했다.

여기에 빛을 흡수해 화학반응을 유도하는 환원 이산화티타늄(Reduced TiO₂)과 구리 나노입자를 결합해 복합 광촉매를 구현했다. 표면 개질된 맥신은 전자의 이동을 원활하게 하고, 구리 나노입자는 이산화탄소가 메탄으로 바뀌는 반응을 촉진하는 역할을 한다.

실험 결과, 새롭게 개발한 복합 광촉매 Cu/f-MXene/RT의 메탄 생성량은 1g당 18.1μmol로 측정됐다. 이는 환원 이산화티타늄만 사용한 경우보다 약 200배 높은 수준이다.

연구팀은 실험 결과와 이론 계산을 종합해 맥신 표면 개질과 구리 나노입자 도입이 전자 전달 및 메탄 생성 반응을 활성화하는 원리도 확인했다. 

소재의 안정성을 확보하는 동시에 촉매 반응 효율을 높일 수 있는 설계 방향을 제시한 것이다.

인수일 DGIST 교수는 "맥신의 표면 특성을 조절해 광촉매의 안정성과 이산화탄소 전환 성능을 함께 개선했다는 데 이번 연구의 의의가 있다"며 "앞으로 태양광을 활용해 이산화탄소를 메탄 등 유용한 연료로 전환하는 탄소 자원화 기술에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노미래소재원천기술개발사업과 교육부 기초과학연구사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업 등의 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials에 게재됐다.