[로이슈 전여송 기자] 한국연구재단은 전북대학교 유승화·진경환 교수 공동연구팀이 이산화티타늄(TiO2)과 2차원 나노소재 맥신(MXene)을 결합하고 전자빔으로 산소 결함을 제어해 수소 발생률을 높이는 광촉매 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

이번 연구는 이산화티타늄과 맥신의 이종 구조에 전자빔을 조사해 산소 원자가 빠진 결함을 형성하고, 빛의 흡수와 전하 이동을 개선하는 방식으로 진행됐다.

연구 결과는 지난 9월 29일 촉매·환경·에너지 분야 국제학술지 '어플라이드 카탈리시스 비: 인바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)'에 온라인 게재됐다.

이산화티타늄은 화학적 안정성과 비교적 낮은 제조 비용으로 광촉매에 활용되는 소재다. 다만 태양광 중 주로 자외선 영역의 빛을 흡수하고, 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 빠르게 재결합해 수소 생산 효율이 제한되는 문제가 있다.

이를 개선하기 위해 연구팀은 전도성이 높은 층상 나노소재인 맥신을 이산화티타늄과 결합했다. 이후 상온·대기압 조건에서 전자빔을 조사해 촉매 내부의 산소 결함을 조절했다.

연구팀은 맥신 함량과 전자빔 흡수 선량을 달리하며 수소 발생률을 비교했다. 그 결과 맥신 함량 3중량%, 전자빔 흡수 선량 500킬로그레이(kGy) 조건에서 수소 발생률이 전자빔 조사 전보다 5.25배 증가한 것으로 나타났다.

또한 산성 조건인 pH 4.03에서 수소 생산량이 증가하는 결과를 확인했다.

연구팀은 소재 특성 분석과 밀도범함수이론(DFT)에 기반한 제일원리 계산을 통해 수소 발생률이 증가한 원인도 분석했다.

분석 결과 전자빔 조사로 형성된 산소 공공(Oxygen Vacancy)이 빛의 흡수와 전자·정공의 분리를 촉진하는 것으로 나타났다. 산소 공공은 물질의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 형성된 빈자리를 의미한다.

이산화티타늄과 맥신이 맞닿는 계면에서는 전자 분포가 변화하면서 수소가 촉매 표면에 지나치게 강하게 결합하는 현상이 완화됐다. 연구팀은 이러한 변화가 수소 발생 반응에 필요한 에너지 조건을 개선한 것으로 분석했다.

이번 연구는 수소 발생 반응에서 정공을 소비하는 희생제로 메탄올을 사용한 조건에서 수행됐다. 따라서 순수한 물을 이용한 완전 물 분해나 실제 태양광 환경에서 동일한 성능을 확보할 수 있는지는 추가 검증이 필요하다.

연구팀은 향후 희생제를 사용하지 않는 반응 조건에서의 수소 발생 성능과 장기 안정성, 야외 환경에서의 적용 가능성을 확인할 계획이다. 전자빔 조사 공정의 균일성과 경제성도 추가로 검토할 예정이다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 지역대학우수과학자 지원사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실 및 신진연구 지원사업을 통해 수행됐다.

유승화 전북대학교 교수는 “이번 성과는 전자빔을 이용한 결함 제어와 광촉매 계면 설계로 기존 이산화티타늄/맥신 광촉매의 낮은 수소 발생률과 수계 안정성 문제를 개선했다는 데 의미가 있다”고 설명했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr