대구경북과학기술원(DGIST)연구진이 물에 취약한 신소재 맥신의 안정성을 높이면서 이산화탄소를 메탄으로 효율적으로 전환할 수 있는 광촉매 기술을 개발했다.
1일 DGIST에 따르면, 에너지공학과 인수일 교수 연구팀은 한국교통대 인인식 교수, 한양대 이태경 교수, 태국 쭐랄롱꼰대 교수 연구팀과 공동연구를 통해 맥신 표면을 고분자로 보호하고 구리(Cu)나노입자를 결합한 광촉매를 개발했다.
최근 이산화탄소를 포집·저장하는 데 그치지 않고 연료나 화학제품의 원료로 활용하는 탄소 포집·활용(CCU)기술이 주목받고 있다. 특히 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄 등 유용한 연료로 전환하는 인공 광합성 기술은 온실가스를 자원으로 활용할 수 있다는 점에서 연구가 활발하다.
연구팀은 이산화탄소 전환 효율을 높이기 위한 소재로 전기전도성이 뛰어난 2차원 나노소재인 맥신에 주목했다. 맥신은 전자 이동에 유리하지만 물이나 산소에 노출될 경우 쉽게 산화돼 성능이 떨어지는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 맥신 표면에 유기 고분자를 결합해 보호막을 형성하는 표면 개질 기술을 적용했다. 이를 통해 물이 존재하는 환경에서도 맥신이 안정적으로 성능을 유지할 수 있도록 했다.
이어 표면 개질한 맥신(f-MXene)에 빛을 받아 화학반응을 일으키는 환원 이산화티타늄(Reduced TiO₂, RT)과 구리 나노입자를 결합해 새로운 광촉매를 제작했다.
이 광촉매에서 맥신은 전자의 이동을 돕고, 구리 나노입자는 이산화탄소가 메탄으로 전환되는 반응을 촉진하는 역할을 한다.
실험 결과 연구팀이 개발한 Cu/f-MXene/RT 광촉매의 메탄 생산량은 18.1 μmol/g으로 나타났다. 이는 환원 이산화티타늄만 사용했을 때보다 약 200배 높은 성능이다.
연구팀은 실험과 이론 계산을 통해 표면 개질된 맥신과 구리 나노입자가 전자 이동을 원활하게 하고 메탄 생성 반응을 촉진하는 구체적인 작동 원리도 확인했다.
인수일 DGIST 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 이번 연구는 한국연구재단 나노미래소재원천기술개발사업과 교육부 기초과학연구사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐다.
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