전북대·성균관대 공동 연구진이 다재다능한 두 얼굴의 야누스 맥신 양자점을 합성하고 이를 이용한 슈퍼커패시터와 촉매를 개발해 학계의 주목을 받고 있다.
19일 전북대에 따르면 이번 연구에는 전북대 유승화 교수(양자시스템공학과), 진경환 교수(물리학과), 성균관대 박성준 교수(화학공학부) 등이 참여했다. 연구진은 니켈(Ni)-맥신(MXene) 야누스(Janus) 양자점을 합성, 이를 적용한 차세대 슈퍼커패시터와 유기물 변환 촉매 기술을 개발한 것.
연구 성과는 공학·재료과학 분야 국제학술지 『어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)』(IF 26.8, JCR 상위 2.1%)에 온라인 게재됐다.
연구팀은 in-situ HF 방식으로 Ti3C2 맥신 시트를 제조한 후, 암모니아를 사용해 맥신의 입자 크기를 줄여 맥신 양자점(MQD)을 합성했다.
이와 동시에 니켈(Ni) 전구체와 환원제를 함께 투입, 수열합성을 통해 Ni-MXene Janus QD(Ni-MJQD)를 형성했다. 고해상도 투과전자현미경(HRTEM), 고각 환상 암시야 주사투과전자현미경(HAADF-STEM), 전자 에너지 손실 분광법(EELS) 원소 매핑, 각도 분해 X선 광전자 분광법 심도 프로파일링(AR-XPS depth profiling) 등 고도 분석을 통해 Ni-MJQD가 한 면은 Ni 결정, 다른 면은 MXene 결정이 서로 결합된 비대칭적인 ‘야누스’ 구조임을 확인했다.
또한 유기물을 변환하는 촉매로서도 탁월한 성능을 보였다. 산화제인 과산화모노황산(PMS)를 활성화해 벤질알콜을 벤즈알데하이드로 변환하는 촉매로 Ni-MJQD을 사용, 높은 수율·변환율·선택도를 보였다.
뿐만 아니라 제일원리 기반 계산화학을 통해 이론적으로도 입증했다. 밀도범함수(DFT) 계산을 이용해 Ni-MJQD의 전자 구조를 규명했고, 맥신에 니켈을 도입함으로써 슈퍼커패시터 양극에서 수산화 이온(OH-)의 확산 에너지 장벽이 낮아져 슈도커패시터 거동이 향상됨을 밝혀냈다.
공동연구를 주도한 전북대 유승화 교수는 “이번에 개발된 니켈-맥신 야누스 양자점은 차세대 에너지 저장과 촉매 소재 기술을 발전시키는 데 역할을 할 것”이라며 “이번 연구에서 확보한 합성 기술을 바탕으로 수전해 촉매 등 다양한 응용 분야로 확대 적용하려는 후속 연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 교육부가 지원하고 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자, 기초연구실지원사업, 학연협력플랫폼구축 시범사업 본사업, 기초연구소지원사업 (G-램프), 과학기술사업화진흥원, 4단계 BK21의 지원으로 수행됐다.
/장은성 기자
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