▲ 삼원 이종 접합 광촉매 구성과 에너지 밴드 구조 설명도(그림=전북대)  © 특허뉴스

전북대학교 연구진이 환경오염과 에너지 위기 해결에 지대한 영향을 미칠 고성능 광촉매 소재를 개발하며 학계의 뜨거운 관심을 받고 있다. 전북대 양자시스템공학과 유승화 교수, 레카 파라마닉 박사, 전자·정보공학부 라그나마이 모하파트라 연구교수 연구팀은 기존 광촉매의 한계를 뛰어넘는 다중 이종접합 구조의 새로운 광촉매를 설계하여, 전하 이동을 획기적으로 가속화하는 데 성공했다고 발표했다.

연구팀은 맥신(MXene), 금속 유기 골격체(ZIF-67), 흑연질 탄소 질화물(g-C₃N₄)로 구성된 삼원 복합체 'MXene/ZIF-67(Co)/g-C₃N₄' 광촉매를 상온에서 간단한 공침법(co-precipitation method)으로 합성하는 데 성공했다. 공침법은 용액 내 두 가지 이상의 화학종을 동시에 침전시켜 고체 형태의 화합물이나 나노물질을 합성하는 방법이다.

이 새로운 광촉매의 핵심은 독특한 이중 계면 구조에 있다. ZIF-67과 g-C₃N₄ 사이의 S-scheme 접합, 그리고 ZIF-67과 MXene 사이의 Ohmic 접촉으로 구성된 이 구조는 내부에 두 개의 강력한 전기장을 형성한다. 이 전기장은 광생성 전자의 역류를 효과적으로 방지하고, 전자의 이동을 거의 저항 없이 유도하여 전하 전달 효율을 획기적으로 향상시킨다. 이는 광촉매의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다.

산업폐수 정화 및 그린수소 생산 '탁월한 성능' 입증

실험 결과는 놀라웠다. 개발된 광촉매는 산업 폐수 내 고농도 항생제(테트라사이클린 염산염, TCH)와 중금속(크롬)을 매우 효과적으로 제거하는 성능을 보였다. 이는 심각한 환경 문제를 야기하는 산업 폐수 처리의 새로운 대안이 될 수 있음을 의미한다.

또한, 물 분해를 통한 그린수소 생산에서도 우수한 성능을 확인했다. 청정에너지원인 수소 생산 효율을 높이는 데 기여함으로써 미래 에너지 문제 해결에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

유승화 교수는 "이번 성과는 청정에너지 생산과 환경오염 해결을 위한 지속가능하고 친환경적인 해결책이 될 수 있다"며 개발 기술의 파급력에 대한 기대감을 나타냈다.

이 연구 결과는 SCI급 국제학술지인 'Chemical Engineering Journal'(IF: 13.4, JCR: 상위 3.1%) 2025년 제516권 최신호에 'Engineering Dual-Interface Ternary Heterojunctions: A Synergy of S-Scheme and Ohmic Contact for Enhanced Charge Transfer to Improve Photocatalytic Efficiency'라는 제목으로 게재되어 학계의 큰 주목을 받고 있다.