- 전북대, 맥신·이산화티타늄 결합 수소 생산 효율 5.25배 향상

- 산소 원자 빈자리 제어 촉매 성능 개선, 귀금속 대체 가능성 제시

전자빔 조사로 형성된 산소 공공이 풍부한 이산화티타늄/맥신 광촉매의 수소 발생 향상 설명도.[전북대학교 제공]
전자빔 조사로 형성된 산소 공공이 풍부한 이산화티타늄/맥신 광촉매의 수소 발생 향상 설명도.[전북대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 전자빔을 쏘는 방식으로 빛을 이용한 수소 생산 효율을 5배 이상 끌어올리는 데 성공했다.

한국연구재단은 전북대학교 유승화·진경환 교수 공동연구팀이 차세대 2차원 나노소재인 맥신(MXene)과 이산화티타늄(TiO₂)을 결합한 광촉매에 전자빔을 조사해 수소 발생률을 기존보다 5.25배 높이는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

광촉매는 빛에너지를 이용해 물을 분해하고 수소를 생산하는 소재다. 대표적인 광촉매인 이산화티타늄은 가격이 저렴하고 화학적으로 안정적이지만 태양광 중 자외선만 주로 흡수한다는 한계가 있다. 빛을 받아 생성된 전자와 정공이 빠르게 재결합하면서 수소 생산 효율도 떨어진다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전기전도성이 뛰어난 맥신을 이산화티타늄과 결합하고, 상온·대기압 조건에서 전자빔을 조사하는 방법을 적용했다.

핵심은 전자빔으로 이산화티타늄 결정구조에 ‘산소 빈자리’를 만드는 것이다. 산소 원자가 빠져나간 자리를 정밀하게 제어하면 빛 흡수 능력이 향상되고 전자와 정공의 재결합을 억제해 수소 생산에 필요한 전자를 더욱 효과적으로 활용할 수 있다.

연구팀이 맥신 함량과 전자빔 조사량을 달리하며 성능을 비교한 결과, 맥신 함량 3중량%, 전자빔 흡수선량 500킬로그레이(kGy) 조건에서 가장 우수한 성능을 확인했다.

이렇게 제작한 광촉매의 수소 발생률은 전자빔을 조사하기 전보다 5.25배 높았다. 특히 산성 조건(pH 4.03)에서 수소 생산량이 크게 증가하는 것으로 나타났다.

유승화 전북대학교 교수.[전북대학교 제공]
유승화 전북대학교 교수.[전북대학교 제공]

연구팀은 제일원리 계산과 밀도범함수(DFT) 분석을 통해 성능 향상 원인도 규명했다. 전자빔으로 생성된 산소 빈자리가 빛 흡수와 전하 분리를 촉진하고, 맥신과 이산화티타늄의 접합면에서는 전자 분포가 달라져 수소 발생 반응에 유리한 환경이 형성된다는 사실을 확인했다.

이번 성과는 기존 광촉매의 구조를 정밀하게 제어하는 방식으로 수소 생산 성능을 높였다는 점에서 의미가 있다. 향후 귀금속 의존도를 낮춘 고효율 광촉매 개발과 기존 촉매의 성능 개선에 활용될 것으로 기대된다.

다만 실제 상용화를 위해서는 추가 검증이 필요하다. 연구팀은 수소 생산 과정에서 사용되는 희생제 없이 순수한 물을 분해하는 기술을 확보하고, 실제 태양광 환경에서의 생산 효율과 장기 내구성, 전자빔 조사 공정의 경제성 등을 검증할 계획이다.

유승화 교수는 “전자빔을 이용한 결함 제어와 광촉매 계면 설계를 통해 기존 이산화티타늄·맥신 광촉매의 낮은 수소 발생률과 수계 안정성 문제를 개선했다는 데 의미가 있다”며 “후속 연구를 통해 기술 성숙도를 높이고 실제 수소 생산 공정에 적용할 수 있도록 실용화 연구를 추진하겠다”고 말했다.

이번 연구결과는 촉매·환경·에너지 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 비: 인바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’ 9월 29일 온라인판에 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com