꿈의 소재 '맥신'에 양면특성 부여…슈퍼커패시터와 촉매 응용

유승화 전북대 양자시스템공학과 교수, 진경환 물리학과 교수와 박성준 성균관대 교수 공동연구팀이 개발한 '니켈(Ni)-맥신(MXene) 야누스(Janus) 양자점' 구조와 특성. 유승화 전북대 교수 제공

매우 얇은 2차원 나노소재인 맥신(MXene)은 전기전도도가 높고 다른 소재와 조합이 용이해 꿈의 신소재라고 불린다. 국내 연구팀이 맥신의 한쪽 면에만 니켈 금속을 결합한 신소재를 구현하고 이를 기반으로 차세대 에너지 저장장치인 슈퍼커패시터와 유기물 변환 촉매 기술을 개발했다.

한국연구재단은 유승화 전북대 양자시스템공학과 교수, 진경환 물리학과 교수와 박성준 성균관대 교수 공동연구팀이 신소재인 '니켈(Ni)-맥신 야누스(Janus) 양자점'을 합성하고 이를 적용한 슈퍼커패시터와 촉매 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 연구결과는 5일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 공개됐다.

맥신은 전기전도도가 높고 다양한 금속화합물과 조합할 수 있어 에너지 저장 분야에서 이를 활용한 전극, 촉매 개발 연구가 활발하다. 맥신의 2차원 소재 특성을 살린 '야누스 구조'는 맥신의 양면에 서로 다른 원자층을 배열해 다양한 기능을 구현하는 방법이지만 그동안 활발히 연구되지 않았다. 야누스는 로마 신화에서 두 얼굴을 가진 신이다. 

연구팀은 고온·고압에서 맥신과 니켈을 결합해 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준으로 작은 입자인 양자점을 합성했다. 한쪽 면은 니켈 결정이, 다른 면은 맥신 결정이 결합된 비대칭 야누스 구조가 확인됐다.

개발된 니켈-맥신 야누스 양자점을 슈퍼커패시터 전극에 도입하자 기존보다 용량과 출력 밀도가 증가했다. 유기물의 분자 구조를 변환시키는 촉매로 활용하자 반응의 수율과 변환율, 선택도가 높아졌다.

유 교수는 "개발된 니켈-맥신 야누스 양자점은 차세대 에너지 저장과 촉매 소재 기술을 발전시키는 데 중요한 영향을 미칠 것으로 기대한다"며 "수전해 촉매 등으로 확대 적용하는 후속 연구가 진행 중"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adma.202505852

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]