TiO₂ 표면에 2차원 소재 MoSe₂와 백금 나노입자 결합한 삼원계 구조 광촉매 개발
일반적인 광조사 조건보다 약 3배, 기존 TiO₂ 광촉매보다 약 65배 높은 성능 보여

국내 연구진이 탄소중립의 핵심 기술로 통하는 이산화탄소 전환용 광촉매 성능을 대폭 향상시킨 기술을 개발해 주목받고 있다.

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대학교(Caltech) 윌리엄 고다드(William A. Goddard III) 교수 연구팀과 공동으로, 서로 다른 역할을 하는 두 종류의 조촉매를 결합해 태양광으로 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 광촉매의 성능을 크게 높이고, 그 작동 원리를 규명했다.

이산화탄소는 기후변화를 일으키는 대표적인 온실가스다. 최근에는 이산화탄소를 단순히 줄이는 데서 나아가, 연료나 화학 원료 등 유용한 자원으로 전환하는 기술이 주목받고 있다. 특히 광촉매 기술은 태양광을 에너지원으로 활용해 이산화탄소를 자원으로 바꿀 수 있어 많은 관심을 받고 있다.

연구팀은 대표적인 광촉매 소재인 이산화티타늄(TiO₂) 표면에 2차원 소재인 몰리브덴셀레나이드(MoSe₂)와 백금(Pt) 나노입자를 결합한 삼원계 구조의 ‘Pt/TiO₂-MoSe₂’ 광촉매를 개발했다. 두 조촉매가 서로 다른 역할을 수행하도록 설계해 빛으로 생성된 전자가 이산화탄소 환원 반응에 효율적으로 활용되도록 했다.

본래 층상 구조를 띠는 MoSe₂는 쉽게 뭉치거나 변형돼 안정적으로 유지하기 어렵다는 한계가 있다. 연구팀은 TiO₂와 MoSe₂가 맞닿는 계면을 정밀하게 설계해 TiO₂에서 MoSe₂로 전자가 지속적으로 전달되도록 했으며, 이를 통해 불안정한 1T-MoSe₂ 구조를 안정적으로 고정하고 촉매의 활성과 안정성을 높였다.

또한 백금 나노입자가 빛으로 생성된 전자를 빠르게 모아 환원 반응을 촉진하도록 했다. MoSe₂가 이산화탄소 반응이 일어나기 쉬운 환경을 만들고, 백금이 전자의 이동을 도우면서 두 조촉매가 상호 보완적으로 작용하는 구조다.

개발된 광촉매는 빛을 한곳에 모으는 집광형 반응기에서 메탄 생산량 17.81μmol/g을 기록했다. 이는 일반적인 광조사 조건보다 약 3배, 기존 TiO₂ 광촉매보다 약 65배 높은 성능이다. 연구팀은 실험과 이론 계산을 통해 집광에 따른 광자 공급 증가와 촉매 계면에서의 효율적인 전자 이동이 메탄 생산 성능을 높이는 핵심 요인임을 확인했다.

인수일 교수는 “이번 연구는 이중 조촉매의 계면을 조절해 불안정한 고활성 금속성 1T-MoSe₂ 구조를 안정적으로 유지하고, 다전자 환원 반응의 작동 원리를 규명했다는 데 의미가 있다”며 “향후 태양광으로 이산화탄소를 친환경 연료와 유용한 자원으로 전환하는 탄소 자원화 기술에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.