전북대학교 연구진이 전자빔 조사를 이용하여 귀금속 의존도를 낮춘 광촉매 개질 기술을 개발해 학계의 주목을 받고 있다.
전북대 양자시스템공학과 유승화 교수, 물리학과 진경환 교수 공동연구팀은 꿈의 신소재로 불리는 2차원 나노소재 맥신(MXene)에 이산화티타늄(TiO2)을 결합한 이종 접합구조 광촉매(TMX)를 제조하고, 이에 전자빔 조사로 산소 결함을 제어해 물 분해 수소 발생률을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.
이산화티타늄(TiO2)은 안정적이고 저렴한 광촉매지만, 태양광 중 자외선만 흡수해 가시광선 활용이 어렵고, 빛으로 생성된 전자-정공의 재결합이 빨라 수소 생산 효율이 낮다. 이를 개선하기 위해, 결함을 도입해 빛의 흡수를 늘리거나 조촉매*를 도입해 전하 분리와 수송을 원활하게 하는 연구가 활발하다.
*조촉매(cocatalyst): 주촉매와 함께 작용해 전자의 이동이나 화학반응을 촉진, 촉매의 성능을 높이는 보조 물질.
연구팀은 이산화티타늄에 전도성이 높은 얇은 층상 소재인 맥신을 결합하고, 상온·대기압에서 전자빔을 조사했다. 맥신의 함량과 흡수 선량을 달리해 비교한 결과, 맥신 함량 3중량%, 흡수 선량 500킬로그레이(kGy)에서 높은 수소 발생률을 확인했다. 이 최적 광촉매(TMX3-500)의 수소 발생률은 전자빔 조사 전보다 5.25배(132 → 691 μmol g-1 h-1) 높고, 최적의 수용액 pH 조건(pH 4.03)에서 수소 생산률이 크게 늘어(3846 μmol g-1 h-1) 물 분해 수소 발생용 광촉매로서 탁월한 성능을 달성했다.
연구팀은 실험 뿐만 아니라 제일원리 기반 계산화학을 통해 이런 성능 향상의 원리를 이론적으로 규명했다. 밀도범함수(DFT) 계산 결과, 전자빔으로 형성된 산소 공공*이 빛 흡수와 전하 분리를 촉진했다. 이산화티타늄과 맥신 간 계면은 전자 분포가 바뀌어 수소가 촉매 표면에 강하게 붙는 현상을 완화하고, 수소 발생을 열역학적으로 유리하게 만들었다.
*산소 공공(Oxygen Vacancy): 물질의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 생긴 빈자리.
공동연구를 주도한 전북대 유승화 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. 더불어 “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 계획”이라고 밝혔다.
*희생제(Sacrificial agent): 광촉매 반응에서 자신이 먼저 산화되거나 환원되면서 전자 또는 정공을 소비해 원하는 화학반응이 더 쉽게 일어나도록 돕는 물질. 본 연구에서는 정공 희생제로 메탄올을 활용함.
한편, 이번 연구는 교육부가 지원하고 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자지원사업, 기초연구소지원사업(G-램프), 4단계 BK21, 과학기술정보통신부가 지원하고 과학기술사업화진흥원이 추진하는 학연협력플랫폼구축 시범사업 본사업의 지원으로 수행된 이번 성과는 촉매·환경·에너지 분야 국제학술지 『어플라이드 카탈리시스 비: 인바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)』(IF 19.7, JCR 상위 1.7%)에 ‘Tunable oxygen vacancy engineering via electron beam irradiation in TiO2/MXene: A combined experimental and DFT study on photocatalytic performance and hydrogen adsorption energetics’라는 제목으로 게재되었다. (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.127583)
