지속가능 에너지 시스템과 친환경 화학 공정에 있어 첨단소재, 특히 여러 기능을 가진 ‘멀티플레이어’ 소재를 설계·합성·응용하는 연구개발이 활발하다. 이러한 첨단 소재 중 ‘맥신(MXene)’은 우수한 전기전도도와 에너지 저장 특성을 가지고 있어 다른 소재와 결합해 장점을 극대화하면 미래 첨단 소재로 활용 가치가 무궁무진하다.

이렇게 다른 소재와 장점을 결합해 그리스 로마신화의 야누스와 같은 독특한 구조와 성질의 양면성을 갖게 하는 ‘야누스’ 구조를 도입하는 연구를 세계 많은 연구자들이 수행하고 있다.

전북대, 성균관대 공동 연구진이 다재다능한 두 얼굴의 야누스 맥신 양자점을 합성하고 이를 이용한 슈퍼커패시터와 촉매를 개발해 학계의 주목을 받고 있다. 연구에는 전북대 유승화 교수(양자시스템공학과), 진경환 교수(물리학과), 성균관대 박성준 교수(화학공학부) 등이 참여했다. 연구진은 니켈(Ni)-맥신(MXene) 야누스(Janus) 양자점을 합성하고, 이를 적용한 차세대 슈퍼커패시터와 유기물 변환 촉매 기술을 개발했다.

이번 연구의 성과는 공학·재료과학 분야 국제학술지 『어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)』(IF 26.8, JCR 상위 2.1%)에 ‘Biphasic Ni-MXene Quantum-confined nanostructures: A Versatile Janus Platform for Advanced Energy Storage and Catalytic Oxidations’라는 제목으로 온라인 게재되었다. (https://doi.org/10.1002/adma.202505852)

연구팀은 알려진 in-situ HF 방식으로 Ti3C2 맥신 시트를 먼저 제조한 후, 암모니아를 사용하여 맥신의 입자 크기를 줄여 맥신 양자점(MXene Quantum Dot, MQD)을 합성했다.

이와 동시에, 니켈(Ni) 전구체와 환원제를 함께 투입하고 수열합성을 하여 최종적으로 Ni-MXene Janus QD(Ni-MJQD)를 형성하였다. 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 확인하였다. 

Ni-MJQD는 단순히 구조만 독특한 것이 아니라, 이를 활용한 응용에서 놀라운 성능을 보였다. 연구팀은 Ni-MJQD으로 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터(AHSC) 전극을 구성하여 기존 연구 대비 높은 비용량과 출력밀도를 나타냈다. 맥신에 니켈을 도입함으로서 많은 전기화학적 활성점 제공, 높아진 비표면적과 친수성, 향상된 이온과 전자 수송, 니켈의 슈도커패시터(Pseudocapacitor)와 다공성 활성탄의 전기이중층커패시터(EDLC) 특성 조합이 크게 기여하여 에너지 저장 특성이 우수한 것으로 연구팀은 보았다.

또한, 유기물을 변환하는 촉매로서도 탁월한 성능을 보였다. 연구팀은 산화제인 과산화모노황산(peroxymonosulfate, PMS)를 활성화하여 벤질알콜을 벤즈알데하이드로 변환하는 촉매로 Ni-MJQD을 사용하였고, 높은 수율·변환율·선택도를 보였다고 밝혔다.

연구팀은 실험뿐만 아니라 제일원리 기반 계산화학을 통해 이러한 점들을 이론적으로 입증했다. 밀도범함수(DFT) 계산을 이용하여 Ni-MJQD의 전자 구조를 규명했고, 맥신에 니켈을 도입함으로서 슈퍼커패시터 양극에서 수산화 이온(OH-)의 확산 에너지 장벽이 낮아져 슈도커패시터 거동이 향상됨을 밝혔다. 또한, 유기물 변환 촉매에서는 Ni-MJQD 표면에서의 PMS 흡착 에너지 계산을 통해, Ni-MJQD의 Ni면에서 PMS가 수월하게 변환 반응에 참여할 수 있어 MJQD 대비 촉매 활성이 향상됨을 밝혔다. 

공동연구를 주도한 전북대 유승화 교수는 “이번에 개발한 니켈-맥신 야누스 양자점은 차세대 에너지 저장과 촉매 소재 기술을 발전시키는 데 중요한 영향을 미칠 것으로 기대된다”며 “이번 연구에서 확보한 합성 기술을 바탕으로 수전해 촉매 등 다양한 응용 분야로 확대 적용하려는 후속 연구가 진행 중”이라고 밝혔다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 교육부가 지원하고 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자, 기초연구실지원사업, 학연협력플랫폼구축 시범사업 본사업, 기초연구소지원사업 (G-램프), 과학기술사업화진흥원, 4단계 BK21의 지원으로 수행됐다.