전북대 김희대 교수팀, 수소 생산·에너지 저장 다기능 소재 개발… 바이오폐기물 양자점 전환 기술도 분석

니켈-코발트 셀레나이드·맥신 복합체로 물 분해 낮은 과전압 구현… 국제학술지 2편 잇달아 게재

전북대학교 김희대 교수(반도체과학기술학과) 연구팀이 수소 생산과 에너지 저장을 동시에 구현할 수 있는 다기능 에너지 소재를 개발하고, 바이오폐기물을 고부가가치 양자점으로 전환하는 합성 기술과 응용 가능성을 체계적으로 분석한 연구 성과를 국제학술지에 잇달아 발표했다.

연구 성과는 각각 국제학술지 ‘Renewable and Sustainable Energy Reviews'(영향력지수 16.3, SCI 분야 상위 2.7%)와 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials'(영향력지수 23.2, SCI 분야 상위 1.4%)에 게재됐다. 이번 연구에는 전북대 키르티 바드와즈(Kirti Bhardwaj) 연구원과 S. R. 싱테(S. R. Shingte) 연구원이 각각 제1저자로 참여했으며, 김희대 교수는 두 논문의 교신저자로 연구를 이끌었다. 인도 시바지대학교(Shivaji University)와 더뉴칼리지(The New College), 벨기에 몽스대학교 연구진 등이 함께한 국제 공동연구로 진행됐다.

에너지 소재 연구에서 연구팀은 니켈-코발트 셀레나이드와 전기전도성이 뛰어난 이차원 소재인 Ti3C2Tx 맥신(MXene)을 결합한 이종구조 복합체를 제작했다. 특히 물-에탄올 혼합용매와 에틸렌글리콜, 아세톤 등 서로 다른 용매를 활용해 합성 과정에서 형성되는 나노구조와 기공 특성을 정밀하게 제어했다.

그 결과 물과 에탄올을 혼합한 용매에서 제조한 NCSM-WE 복합체가 균일하게 연결된 나노플레이크 구조를 형성하며 가장 우수한 성능을 나타냈다. 이 소재의 비표면적은 56.68㎡/g으로 에틸렌글리콜과 아세톤을 사용한 소재보다 넓었으며, 넓은 표면적과 연결된 미세기공 구조는 전해질 이온의 이동을 원활하게 하고 전기화학 반응이 일어나는 활성점을 증가시켰다.

NCSM-WE 복합체는 물 분해 과정의 산소발생반응(OER)과 수소발생반응(HER)에서 각각 258mV와 146mV의 낮은 과전압을 기록했다. 과전압이 낮을수록 적은 에너지로 물 분해 반응을 유도할 수 있어 수소 생산의 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한 두 반응 모두 50시간 동안 성능 저하가 거의 나타나지 않아 장시간 작동 안정성도 확인했다.

연구팀은 바이오폐기물을 양자점으로 전환하는 기술의 가능성과 활용 분야도 종합적으로 제시했다. 수열합성법, 열분해법, 마이크로파 보조 합성법, 화학적 산화법 등 다양한 합성 기술을 분석하고, 바이오폐기물 유래 양자점의 발광 특성이 입자 크기뿐 아니라 표면 기능기, 구조적 결함, 이종원소 도핑, 분자성 발광체 등의 복합적 작용에 의해 결정된다는 점을 밝혔다.

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이를 바탕으로 바이오폐기물 유래 양자점이 바이오센싱과 바이오이미징, 의료 진단, 환경오염물질 검출, 광촉매, 약물전달, 광전자 소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있음을 제시했다. 폐기물을 단순 처리 대상이 아닌 차세대 나노소재의 원료로 전환할 수 있다는 점에서 순환경제와 친환경 첨단소재 기술 발전에도 의미 있는 성과로 평가된다.

김희대 교수는 “이번 연구는 나노소재의 구조와 계면 특성을 정밀하게 제어해 에너지 생산과 저장 성능을 높이는 동시에, 버려지는 바이오폐기물을 고부가가치 나노소재로 전환할 수 있는 가능성을 보여줬다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 친환경 소재 기술을 기반으로 수소 생산과 에너지 저장은 물론 바이오·환경·광전자 분야까지 응용 범위를 확대해 나가겠다”고 말했다.

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