경북대 이용희 교수·KAIST 정희태 교수 연구팀
기존 기술 한계였던 낮은 내구성 크게 개선
지난 3일 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 실려
이산화탄소를 햇빛을 이용해 산업용 연료인 메탄으로 바꾸면서 100시간 이상 안정적으로 작동하는 신소재 광촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 기술의 한계였던 촉매의 낮은 내구성을 크게 개선해 향후 탄소 자원화 기술에 활용될 것으로 기대된다.
경북대학교 나노신소재공학과 이용희 교수와 KAIST 생명화학공학과 정희태 교수 연구팀은 나노종합기술원, 사우디 아람코 연구진과 공동으로 차세대 신소재인 '맥신(MXene)'을 활용한 3차원 광촉매를 개발했다고 19일 밝혔다.
광촉매는 햇빛을 에너지원으로 삼아 화학반응을 일으키는 물질이다. 이를 이용하면 온실가스인 이산화탄소를 메탄과 같은 유용한 연료로 전환할 수 있다. 하지만 기존 광촉매는 장시간 사용할 경우 촉매가 산화되거나 생성물이 쌓이면서 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 얇은 판 형태의 신소재인 맥신을 입체적인 3차원 구조로 만드는 방법을 고안했다.
기존 맥신은 종이처럼 얇은 나노시트가 서로 겹쳐 붙으면서 이산화탄소가 이동할 공간과 실제 반응이 일어나는 면적이 줄어드는 단점이 있었다. 연구팀은 맥신 사이에 탄소나노튜브를 넣어 마치 아코디언을 펼친 것처럼 공간이 많은 구조를 만들었다.
그 결과 이산화탄소가 촉매 내부를 원활하게 이동할 수 있게 됐고, 화학반응이 일어날 수 있는 촉매 표면적도 기존보다 약 18배 넓어졌다. 촉매 내부에 형성되는 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자와 맥신을 결합해 햇빛을 화학반응에 활용하는 효율도 높였다.
물 때문에 촉매의 미세한 구멍이 막히는 문제도 개선했다. 연구팀은 촉매 표면에 물을 밀어내는 성질을 가진 얇은 막을 입혀 장시간 반응 과정에서도 이산화탄소가 이동할 통로를 유지하도록 했다.
개발한 광촉매를 이산화탄소와 물을 지속해서 공급하고 생성물을 빼내는 장치에 적용한 결과, 생성물 가운데 메탄이 차지하는 비율인 '메탄 선택도'가 기존 37%에서 73%로 약 두 배 높아졌다. 촉매 1g당 시간당 119마이크로몰(μmol)의 메탄을 생산했으며, 100시간 이상 연속 가동한 뒤에도 초기 성능의 90% 이상을 유지했다.
연구진은 이번 기술이 기존에 물과 공기에 취약했던 맥신의 단점을 보완해 실제 활용 가능성을 높였다는 데 의미가 있다고 설명했다. 향후 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환하는 기술의 상용화와 탄소중립에 활용될 가능성도 기대하고 있다.
연구진은 "우수한 전기적 특성에도 수분과 공기 중 산화에 취약해 활용이 제한됐던 맥신을 표면 처리와 3차원 구조 설계를 통해 장시간 사용할 수 있도록 했다"며 "탄소 자원화 공정의 상용화와 탄소중립 실현에 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.
이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO₂관리센터, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 글로벌기초연구실지원사업, 나노종합기술원의 반도체-이차전지 인터페이싱 플랫폼기술개발사업 및 반도체글로벌첨단팹연계활용사업 등의 공동 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 3일 온라인 게재됐다.
