이산화탄소를 태양광과 촉매를 이용해 산업용 청정 연료인 메탄으로 전환하는 기술은 탄소중립의 주요 과제로 꼽힌다. 하지만 광촉매는 시간이 지나면서 촉매 입자가 뭉치거나 화학적으로 변형돼 활성을 잃는 내구성 저하문제와 낮은 광전환 효율이 상용화의 걸림돌이 되고 있다.
경북대학교는 이용희 나노신소재공학과 교수와 정희태 KAIST 생명화학공학과 교수팀이 나노종합기술원(NNFC) 및 사우디 아람코(Saudi Aramco) 연구진과 함께 100시간 이상 안정적으로 작동하는 3차원 신소재 광촉매를 개발하는 데 성공했다고 18일 밝혔다. 차세대 2차원 신소재인 '맥신(MXene)'을 활용해 장기 안정성을 지닌 3차원 소수성 맥신(F-3D MXene) 광촉매를 개발한 것이다.
기존 밀폐형 광촉매 반응 장치는 반응 과정에서 생성물이 쌓이고 촉매가 쉽게 산화돼 보통 20시간 이상의 장시간 반응 과정에서 안정적 연속 운전이 어렵다는 내구성 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 반응물과 생성물을 지속해서 공급·배출하는 '연속 흐름 방식'이 도입됐으나, 반응 과정이 복잡해 목표 물질인 메탄만 정밀하게 추출하는 데 어려움이 있었다. 특히 종이처럼 얇은 2차원 맥신 나노시트는 제조 과정에서 서로 뭉치는 성질이 있어 가스가 이동하는 통로를 막고 반응 면적을 줄이는 문제점이 있다.
연구팀은 2차원 맥신 나노시트 사이에 단일벽 탄소나노튜브(SW-CNT)를 결합해 아코디언처럼 활짝 펼쳐진 3차원 다공성 스캐폴드(뼈대) 구조를 설계했다. 이 입체적 나노구조는 이산화탄소가 원활하게 오가는 통로를 확보해 반응 촉매 표면적을 기존 대비 약 18배 대폭 향상시켰다. 동시에 맥신 산화 과정에서 촉매 내부에 자발적으로 형성된 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자와 화학적 이종접합 구조를 형성해 태양광 에너지를 화학 반응으로 전환하는 효율도 극대화했다.
기술의 완성도를 높인 또 다른 요소는 코팅 기술이다. 연구팀은 반응 진행 과정에서 발생하는 수분이 촉매 기공을 막는 '플러딩 현상'을 막기 위해 촉매 미세 표면에 불소 유기분자막을 입히는 자가 조립 코팅 공정을 적용했다. 이러한 표면 제어는 기체 이산화탄소와 물에서 공급되는 수소 양성자, 고체 촉매가 만나는 3상(기체, 액체, 고체) 계면을 안정적으로 유지해 불필요한 수소 발생 부반응을 억제하고 탄소 변환 효율을 유도했다.
개발된 광촉매를 가스와 물의 흐름이 고도로 통제되는 연속 흐름 제어기에 적용한 결과, 메탄 선택도는 기존 37%에서 73%로 약 두 배 가까이 향상됐다. 촉매 1g당 시간당 119마이크로몰(μmol)의 우수한 메탄 생산 속도를 나타냈으며, 100시간 이상 장기 연속 구동 테스트에서도 초기 촉매 성능의 90% 이상을 안정적으로 지속 유지하는 실용적 내구성을 검증했다.
연구진은 “그동안 우수한 전하 전도성에도 불구하고 수분 노출과 공기 중 산화에 취약해 응용처가 극히 제한되었던 맥신 소재를 미세 표면 처리와 3차원 골격화 설계를 통해 실용화 수준의 구동 내구성으로 끌어올렸다는 점에서 학술적 의의를 지닌다”라면서 “탄소 자원화 공정의 실제 상용화 및 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 최근 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 온라인 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
