UNIST, 그린 수소 생산용 비귀금속 촉매 개발

박혜성 UNIST 신소재공학과 교수

우리나라 교수 공동 연구팀이 귀금속 수전해 촉매 대체재로 높은 관심을 받고 있는 ‘전이금속 칼코겐 화합물 촉매 합성법’을 개발했다.

UNIST(총장 이용훈)는 박혜성 UNIST 신소재공학과 교수와 한영규 동국대 융합에너지신소재공학과 교수, 백정민 성균관대 신소재공학부 교수 공동연구팀이 고농도 바나듐 원자를 도핑한 몰리브덴 이황화물 박막 합성법을 개발했다고 5일 밝혔다.

공동 연구팀은 전기 전도도 변화를 위해 첨가하는 도펀트 원자의 배열을 제어해 전이금속 칼코겐 화합물 기반 수전해 촉매 성능을 획기적으로 높였다.

수전해는 전기 에너지로 물에서 수소와 산소를 분리하는 기술이다. 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 이상적인 ‘미래 연료’ 기술이다. 하지만 수전해 반응 효율이 높은 촉매는 대부분 값비싼 귀금속 소재라 산업적으로 널리 활용하는 데 약점으로 작용했다.

‘전이금속 칼코겐 화합물’은 이러한 귀금속을 대체할 수는 있지만 귀금속 촉매 대비 성능이 낮다는 한계가 있었다.

바나듐 원자를 도핑한 몰리브덴 이황화물 박막 제조법과 원자 배열 확인

연구팀은 전이금속 전구체 반응 향상을 위해 알칼리 금속 할로겐화물을 반응 촉진제로 도입했다. 이를 통해 전이금속 칼고겐의 한 종류로 전기화학 촉매 등 다양한 분야에 응용되고 있는 몰리브덴 이황화물 박막 내에 바나듐 원자를 고농도로 치환하는데 성공했다.

도핑 농도 증가에 따라 2개 또는 3개 바나듐 원자가 뭉쳐진 형태로 존재하고, 범밀도함수 이론을 활용해 해당 위치에서 수소 흡착 반응을 위해 필요한 에너지가 크게 감소한다는 점도 확인했다.

이렇게 반응 촉진제 도입으로 치환되는 바나듐 원자 배열을 제어하고, 바나듐 원자 클러스터를 촉매 효율 향상을 위한 핵심 사이트로 적용해 고효율 수전해 촉매 개발에 성공했다.

박혜성 교수는 “고농도 헤테로원자 도핑 공정을 활용해 전이금속 칼코겐 화합물을 제작하고, 촉매 효율과 직결되는 표면 기저면 활성화 및 전기 전도도를 효과적으로 제어했다”며 “이러한 접근법은 이차원 소재 기반 촉매 개발뿐 아니라 다양한 분야에 응용 가능하다는 점에서 학문적 의의가 크다”고 말했다.

이번 연구는 ‘ACS 나노’ 5월 15일자 온라인판에 실렸다.

부산=임동식 기자 dslim@etnews.com

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