전자빔으로 TiO₂·맥신 촉매 결함 제어…수소 발생률 5.25배 높여

전북대학교 유승화·진경환 교수 공동연구팀이 이산화티타늄(TiO₂)과 맥신(MXene)을 결합한 광촉매에 전자빔을 조사해 수소 발생률을 높였다. 메탄올 수용액과 모사 태양광을 사용한 실험에서 전자빔 조사 전보다 수소 발생률이 5.25배 높아졌다. 순수한 물을 수소와 산소로 분해하는 완전 물 분해 성능이나 실제 태양광에서의 운전 성능을 검증한 결과는 아니다.

한국연구재단에 따르면 연구팀은 TiO₂·맥신 복합체에 전자빔을 조사해 산소 공공과 계면의 특성을 조절했다. 산소 공공은 물질의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 생긴 빈자리다.

이산화티타늄은 안정적이고 가격이 낮은 광촉매지만, 주로 자외선을 흡수하고 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 빠르게 재결합해 수소 생산에 활용되는 전하가 제한된다. 연구팀은 전기전도성이 높은 맥신을 결합하고 전자빔으로 결함을 제어해 이러한 한계를 줄이는 방식을 적용했다.

맥신 3중량%·흡수 선량 500kGy 조건서 발생률 증가
연구팀은 이산화티타늄과 맥신을 각각 메탄올에 분산한 뒤 혼합·교반해 복합 광촉매를 제조했다. 반대 전하를 띤 물질 사이의 정전기적 인력을 이용하는 자기조립 방식이다.

맥신 함량을 1·3·5중량%로 달리한 시료 가운데 전자빔 조사 전 수소 발생률이 가장 높았던 3중량% 시료를 대상으로 후처리를 진행했다. 한국원자력연구원의 2.5MeV 전자빔을 이용해 상온·대기압에서 흡수 선량을 100~1,000kGy로 조절했다.

수소 발생 실험에는 촉매 20mg과 20% 메탄올 수용액 20mL를 사용했다. AM 1.5G 필터를 장착한 150W 제논램프로 모사 태양광을 조사했으며, 광출력 밀도는 300mW/㎠, 반응 시간은 4시간이었다. 메탄올은 이번 실험에서 희생제로 사용됐으며, 희생제 없는 반응은 후속 검증 과제로 남아 있다.

수용액의 자연 pH인 5.55에서 흡수 선량 500kGy로 처리한 시료의 수소 발생률은 691±9.54μmol·g⁻¹·h⁻¹로 나타났다. 조사 전 약 132μmol·g⁻¹·h⁻¹과 비교해 5.25배 높은 수치다. 이는 촉매 질량당 시간당 수소 발생률을 비교한 것으로, 태양광의 수소 전환효율을 뜻하지는 않는다.

이산화티타늄과 맥신을 각각 전자빔으로 처리한 뒤 결합한 비교 시료의 수소 발생률은 260μmol·g⁻¹·h⁻¹이었다. 복합체를 먼저 만든 뒤 전자빔을 조사한 시료보다 낮았다. 연구팀은 이 결과가 개별 소재의 변화뿐 아니라 두 소재가 맞닿는 계면의 변화도 성능에 영향을 준다는 해석을 뒷받침한다고 설명했다.

표면 분석·계산으로 결함과 계면 역할 분석
엑스선 광전자분광법(XPS) 분석에서 Ti³⁺의 상대 분율은 전자빔 조사 전 13.65%에서 조사 후 27.9%로 증가했다. 산소 공공과 관련된 O 1s 성분의 상대 분율도 21.5%에서 34.6%로 높아졌다.

이 수치는 XPS 피크를 분해해 얻은 표면 화학 상태의 상대 지표다. 결정구조 전체에서 산소 원자가 해당 비율만큼 빠졌다는 의미는 아니다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 수소 흡착 특성도 분석했다. 산소 결함이 있는 이산화티타늄 모델의 수소 흡착 자유에너지는 약 −1.25eV였으며, 맥신과 결합한 모델에서는 약 −0.28eV로 0에 가까워졌다. 물 분자를 포함한 모델에서는 −0.17eV로 계산됐다.

연구팀은 산소 결함과 맥신 계면이 함께 작용해 표면에 수소가 과도하게 결합하는 현상을 완화하고, 수소 발생에 유리한 상태를 형성한 것으로 해석했다.

산성 조건서 발생률 상승…상용화 판단에는 추가 검증 필요
최적 처리 시료는 pH를 4.03으로 낮춘 조건에서 3,846μmol·g⁻¹·h⁻¹의 수소 발생률을 보였다. 다만 이는 자연 pH 5.55에서 측정한 결과와 반응 조건이 다르므로, 전자빔 처리에 따른 성능 변화와 구분해야 한다.

반복 사용 평가에서는 3회 실험 후 초기 수소 발생률의 96.1%가 유지됐다. 이 결과만으로 장기간 운전 시 내구성이나 결함 구조의 안정성을 판단하기는 어렵다.

연구팀은 실용화를 위해 희생제 없는 완전 물 분해, 실제 태양광 조건의 성능, 장기 안정성을 검증할 계획이다. 전자빔 조사 공정의 균일성과 경제성도 후속 과제로 제시했다.

이번 연구는 교육부·한국연구재단의 지역대학우수과학자 지원사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단의 기초연구실 및 신진연구 지원사업으로 수행됐다.