전북대학교 연구팀이 2차원 나노소재 맥신(MXene)과 이산화티타늄(TiO₂)을 결합한 이종구조(TMХ)를 개발, 전자빔 조사를 통해 산소 결함을 제어해 물 분해 수소 발생률을 획기적으로 높이는 광촉매 기술을 선보였다.
연구팀은 전도성이 뛰어난 층상 소재 맥신과 결합한 TiO₂에 상온·대기압에서 전자빔을 조사해 백금 나노클러스터와 비정질 산화층이 공존하는 이종 계면 구조를 형성했다. 최적 조건인 맥신 함량 3중량%, 전자빔 흡수 선량 500킬로그레이(kGy)에서 수소 발생률은 전자빔 조사 전 대비 5.25배 증가했으며, 산성 조건(pH 4.03)에서는 더욱 향상되었다. 밀도범함수(DFT) 계산과 실험 결과를 연결해 전자빔으로 형성된 산소 결함이 빛 흡수와 전하 분리를 촉진하고, TiO₂와 맥신 계면에서 전자 분포 변화가 수소 흡착을 완화해 수소 발생을 열역학적으로 유리하게 만든다는 원리를 규명했다.
etnews는 이번 기술이 귀금속 공촉매에 대한 의존도를 줄이면서 기존 광촉매의 성능을 개선할 수 있는 새로운 접근법이라고 보도했다. 유승화 교수는 이번 성과가 전자빔을 이용한 결함 제어와 광촉매 계면 설계로 기존 이산화티타늄/맥신 광촉매의 낮은 수소 발생률과 수계 안정성 문제를 개선했다는 데 의미가 있다고 설명했다. 향후 기술 실용화를 위해서는 순수한 물을 이용한 완전 물 분해나 야외 실증 연구가 필요하며, 희생제 없는 반응 조건과 실제 태양광에서의 성능, 장기 안정성, 전자빔 조사 공정의 균일성·경제성을 검증해 나갈 계획이라고 덧붙였다.
news1은 이번 연구가 낮은 수소 발생률과 수계 안정성 한계를 갖는 비귀금속 기반 촉매 설계 및 전자빔 후처리로 광촉매 성능을 획기적으로 향상하는 접근법을 제시했다고 밝혔다. 또한 수전해 촉매와 에너지 변환 촉매 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용될 가능성이 크다고 전망했다.