경북대와 KAIST 공동연구진이 이산화탄소를 산업용 청정연료인 메탄으로 전환하면서 100시간 이상 안정적으로 작동하는 맥신 기반 광촉매를 개발했다.18일 경북대에 따르면 나노신소재공학과 이용희 교수와 KAIST 생명화학공학과 정희태 교수팀은 나노종합기술원 및 사우디 아람코 연구진과 함께 차세대 2차원 소재인 맥신(MXene)을 활용한 ‘3차원 소수성 맥신(F-3D MXene) 광촉매’를 개발했다.이산화탄소를 태양광과 촉매를 이용해 메탄으로 전환하는 기술은 탄소중립을 위한 주요 기술로 꼽히지만, 기존 광촉매는 반응 과정에서 생성물이 쌓이거나 촉매가 산화되면서 장시간 운전할수록 활성이 떨어지는 문제가 있었다.특히 종이처럼 얇은 2차원 맥신 나노시트는 제조 과정에서 서로 뭉치는 특성 때문에 가스 이동 통로가 막히고 반응 면적이 줄어드는 한계가 있었다.연구팀은 맥신 나노시트 사이에 단일벽 탄소나노튜브(SW-CNT)를 결합해 아코디언처럼 펼쳐진 3차원 다공성 구조를 구현했다. 이를 통해 이산화탄소가 촉매 내부를 원활하게 이동할 수 있는 통로를 확보하고 촉매 표면적을 기존보다 약 18배 확대했다.또 맥신 산화 과정에서 자연스럽게 형성된 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자와 이종접합 구조를 만들어 태양광 에너지를 화학 반응으로 전환하는 효율을 높였다. 촉매 표면에는 불소 유기분자막을 코팅해 반응 중 발생하는 수분이 기공을 막는 ‘플러딩’ 현상도 억제했다.개발된 촉매를 연속 흐름 방식의 반응기에 적용한 결과 메탄 선택도는 기존 37%에서 73%로 약 두 배 높아졌다. 촉매 1g당 시간당 119마이크로몰(μmol)의 메탄 생산 속도를 기록했으며, 100시간 이상 연속 운전에서도 초기 성능의 90% 이상을 유지했다.이번 연구는 수분과 산화에 취약했던 맥신 소재에 3차원 구조 설계와 표면처리 기술을 적용해 장기 운전 가능성을 높였다는 점에서 의미가 있다. 연구진은 이산화탄소를 연료 등 유용한 자원으로 전환하는 탄소 자원화 기술의 상용화에 활용될 것으로 기대하고 있다.연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 지난 3일 온라인 게재됐다.
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