▲ 태양광과 이중층 수산화물/맥신 복합 광촉매를 이용한 항생제 분해 및 물 분해 수소생산 / 코발트, 철 이종금속 이중층 산화물(CoFe-LDH) 나노플라워와 Ti3C2 맥신 나노시트를 Cr 전구체와 함께 수열처리함으로서 one-step으로 CoFe-LDH/CoFeCrO4@Ti3C2 MXene (CMC) 복합 광촉매를 제조하여 적합한 전자밴드구조 형성 및 충분한 활성점을 가짐으로써 수중 항생제 분해와 물 분해 수소발생에서 높은 광촉매적 활성을 보였다.(그림 및 설명=전북대학교 유승화 교수)(Copyright 2024, Elsevier.)  © 특허뉴스

하천에 유입된 항생제 등 수중 오염물질 제거와 물을 이용한 친환경 수소 생산의 효율을 높일 복합 광촉매 제조 기술이 개발됐다. 

한국연구재단은 전북대학교 유승화 교수 연구팀이 이중층 수산화물(LDH)과 공촉매 맥신(MXene)을 결합해 성능을 극대화한 복합 광촉매 개발에 성공했다고 밝혔다.

이중층 수산화물:(Layered double hydroxides) : [AcB Z AcB]n 층 구조를 가지는 이온성 고체. 여기서 c는 금속 양이온, A와 B는 수산화 양이온(OH-)층, Z는 다른 양이온 또는 물과 같은 중성 분자층.

공촉매 : 촉매의 활성을 높이거나 촉매에 의해 일어나는 반응을 규제 또는 변화시키기 위해 첨가하는 성분. 

맥신(MXene): 2차원 나노물질로 전기전도성과 열전도성 및 기계적 강도, 화학적 안정성이 우수한 신소재.  

광촉매(photocatalyst)는 빛에너지를 흡수해 광화학 반응을 개시하고, 광화학 반응을 촉진하는 화합물이다.    

최근 물속 유기오염물 제거와 청정 수소에너지 생산 등 환경·에너지 분야에서 다양한 광촉매 연구가 진행되고 있다. 하지만, 대부분 활성이 우수하지 못해 실제 활용은 어려운 실정이다.   

광촉매의 활성을 높이려면 이종의 나노소재가 접합하는 계면에서 효율적인 전하 수송(charge transfer)과 충분한 수송 채널(channel), 그리고 높은 활성점(active site)을 확보해야 한다.  

연구팀은 코발트(Co)와 철(Fe)을 결합한 이중층 수산화물(LDH)과 티타늄(Ti)과 탄소(C)를 결합한 ‘Ti3C2 맥신’을 합성한 후, 이들을 크롬(Cr) 전구체와 수열합성하는 새로운 광촉매 제조법을 개발했다. 

연구팀은 코발트·철-이중층 수산화물(CoFe-LDH) 표면에서 코발트철크롬산화물(CoFeCrO4) 나노입자들이 동시에(in-situ) 성장함을 확인했다. 

이들 이종접합(CoFe-LDH/CoFeCrO4) 계면에는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)*이 형성돼 광생성 전하 수송체의 분리 효율이 증가했다. 

전구체 : 화학반응 등에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정 물질이 되기 전 단계의 물질

수열합성: 높은 증기압에서 고온 수용액으로부터 물질을 결정화해 합성하는 방법

쇼트키 장벽(Schottky barrier) : 금속-반도체 접합에서 형성되는 전자에 대한 포텐셜 에너지 장벽

더불어 이종접합(CoFe-LDH/CoFeCrO4)과 Ti3C2 맥신은 결합 후  복합 광촉매로서 적합한 전자밴드구조를 형성하고, 충분한 활성점을 제공했다. 

유승화 교수는 “이번 연구에서 개발한 복합 광촉매는 환경·에너지 등 다양한 응용 분야에 적용이 기대된다”라며, “실용화의 기반을 마련하기 위해 기판, 팰렛 등 다양한 형상으로 제조할 수 있는 추가 연구를 추진할 계획이다”라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 공학·재료과학 분야 국제학술지 ‘컴퍼지트스 파트 비: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’에 4월 1일 온라인 게재되었다. 

논문명은 Enhanced photocatalytic performance of MXene-Modified cation-exchanged CoFe-LDH/CoFeCrO4 heterostructure for Antibiotic degradation and hydrogen production through synergistic charge dynamics 이다.