니켈-맥신 ‘야누스 양자점’ 개발…슈퍼커패시터·촉매 성능 동시 향상

전기전도성과 조합 다양성으로 주목받는 2차원 나노소재 ‘맥신(MXene)’이 양면 구조의 ‘니켈-맥신 야누스 양자점’으로 진화했다. 국내 연구진은 이 신소재를 슈퍼커패시터 전극과 유기물 변환 촉매에 적용해 기존 대비 높은 전력 밀도와 촉매 활성을 확보했다.


한국연구재단에 따르면 전북대학교 유승화·진경환 교수와 성균관대학교 박성준 교수 공동연구팀은 니켈(Ni)과 맥신을 결합한 비대칭 구조의 ‘야누스 양자점’을 합성했다. 맥신 시트를 in-situ HF 방식으로 제조한 뒤 암모니아와 수열처리로 입자 크기를 줄여 맥신 양자점(MQD)을 만들고, 니켈 전구체와 환원제를 함께 투입해 고온·고압의 수열합성으로 양쪽 면이 서로 다른 결정 구조를 갖는 입자를 구현했다.

고도 분석 결과, 한 면은 니켈 결정, 다른 면은 맥신 결정이 결합된 비대칭 구조임이 확인됐다. 연구팀은 이 소재를 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 전극에 적용해 높은 비용량과 출력밀도를 달성했고, 촉매 실험에서는 유기물 산화 반응의 수율·변환율·선택도가 향상됐다. 밀도범함수(DFT) 계산으로는 니켈 도입이 수산화 이온 확산 장벽을 낮춰 전극 성능을 높이고, PMS(과황산염) 흡착과 변환 반응을 촉진해 촉매 효율이 향상됨이 입증됐다.

유승화 교수는 “니켈-맥신 야누스 양자점은 차세대 에너지 저장 장치와 촉매 소재의 기술 발전에 중요한 역할을 할 것”이라며, “수전해 촉매 등 다양한 응용 분야로 확대 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 성과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 온라인판에 8월 5일 게재됐다.