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저절로 스며드는 액체금속…‘수소 촉매’ 성능 높였다

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- UNIST 연구진, 전이금속 칼코겐화합물 합성법 개발

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전이금속 칼코겐화합물인 이황화몰리브덴이 반도체상(녹색)에서 금속상(흑색)으로 변화한 모습.[UNIST 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 수소 발생 촉매로 각광받는 '전이금속 칼코겐 화합물'의 전기전도도를 높일 수 있는 기술이개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·곽상규 교수 공동연구팀은 ‘알칼리 용융 금속(쇳물과 같은 액체 금속) 층간 삽입법’을 이용해 전이금속 칼코겐화합물을 금속상으로 바꾸는 합성법을 개발했다고 12일 밝혔다. 수소 발생 촉매로 주목 받는 ‘전이금속 칼코겐 화합물’은 전기전도도가 좋을수록 그 성능이 좋아지는데, 간단한 합성법을 이용해 단시간에 반도체상을 전기전도성이 우수한 금속상으로 바꾸는 기술이다.

전이금속 칼코겐화합물은 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo) 같은 금속 원소와 황(S)과 같은 칼코겐 원소가 결합한 물질이다. 가격이 저렴하고 내구성이 좋아 백금(Pt)을 대신 할 ‘물 전기 분해 반응’ 촉매로 연구되고 있다. 하지만 상온에서는 촉매의 성능을 가늠하는 척도의 하나인 전기전도도가 떨어진다. 이 물질은 하나의 물질 안에 반도체 성질을 갖는 부분과 금속 성질을 갖는 부분이 공존하는데 상온에서 주로 전기전도도가 떨어지는 반도체상으로 존재하기 때문이다. 금속상을 갖도록 합성하는 방법이 있지만 시간이 오래 걸리고, 합성된 물질이 다시 반도체상 물질로 돌아가는 한계가 있다.

연구팀은 모세관현상을 이용해 액체 알칼리 금속을 전이금속 칼코겐화합물에 삽입하는 방법으로 ‘금속성 칼코겐화합물’을 1시간 만에(기존 48~72시간) 합성하는데 성공했다. 이 때 알칼리 금속은 전이금속 칼코겐 화합물이 금속상으로 바뀌기 위해 필요한 전자를 공급하는 역할을 한다. 가느다란 관 속으로 액체가 저절로 빨려 들어가는 ‘모세관현상’을 이용했기 때문에 액체 알카리 금속이 칼코겐 화합물 내부로 잘 전달된다. 이렇게 합성된 전이금속 칼코겐 화합물의 경우 전체 화합물에서 금속상이 차지하는 비율이 92%로 높았다.
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액체 알칼리금속을 이용해 반도체상 전이금속 화합물을 금속상으로 변환하는 모식도.[UNIST 제공]

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특히 이번에 합성된 금속상 전이금속 칼코겐화합물은 안정성이 매우 뛰어나다. 고열과 강한 빛에도 금속상이 반도체상으로 바뀌지 않고 유지됐다. 연구팀은 이론분석을 통해 금속상이 안정적으로 유지될 수 있는 원인도 밝혔다. 합성과정에서 알칼리 금속과 칼코겐 물질간의 결합이 반도체상이 금속상으로 바뀌는데 필요한 에너지 장벽을 낮추고 전자구조를 유지 시켜주는 것으로 나타났다. 또 새롭게 합성된 칼코겐화합물을 실제 물 전기 분해 시스템에 적용한 결과 100시간 이상의 작동에도 우수한 성능을 보였다.

박혜성 교수는 “차세대 수소 발생 촉매로 주목 받고 있는 전이금속 칼코겐화합물의 새로운 합성법을 찾아냈다”며 “이차원 물질의 물리적 특성을 규명할 실마리를 제공했을 뿐만 아니라 금속상 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 잘 활용해 수소 발생 촉매 개발에도 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 7월 6일 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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