[사이언스] ‘백금 촉매’ 대체할 ‘빈자리 결함’ 촉매... 수소 발생 촉매 연구에 새로운 장 열려

물의 전기분해로 수소 생산하는 새 원리 규명… Nano Energy 논문 게재

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2019/07/20 [14:58]

[사이언스] ‘백금 촉매’ 대체할 ‘빈자리 결함’ 촉매... 수소 발생 촉매 연구에 새로운 장 열려

물의 전기분해로 수소 생산하는 새 원리 규명… Nano Energy 논문 게재

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2019/07/20 [14:58]

  

▲ 주사전자현미경(STEM) 이미지 분석을 통한 셀레늄 빈자리 결함 형태 확인: 수소 기체 농도가 높은 상태에서 합성한 MoSe₂의 경우 빈자리 결함(붉은색)이 연속적으로 모여있는(coalesced) 걸 확인할 수 있다     © 특허뉴스

 

수소경제의 핵심은 수소를 생산하는 방법이다. 친환경적인 방법으로 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 나누는 물의 전기분해원리가 대표적이다. 전기분해 시 반응을 돕는 촉매가 필요한데, 기존 귀금속 촉매를 대체하는 값싼 비귀금속 촉매 연구가 활발한 진행되는 가운데, 촉매 구조의 빈틈(vacancy)’을 이용하는 방법이 나와 눈길을 끌고 있다.

 

UNIST 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀은 전이금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴(MoSe)’가 가지는 빈자리 결함(vacancy)을 조절해 수소발생반응이 촉진되는 원리를 밝혔다.

 

연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 실시간(in-situ)으로 합성하면서 빈자리 결함을 정교하게 조절해 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소 생산 반응에 알맞은 빈자리 결함을 만들어 냈다.

 

둘 이상의 원자가 합쳐진 물질은 각 원자가 규칙적으로 쌓여 결정(結晶)을 이룬다. 이때 규칙적인 구조 사이에 원자의 빈자리가 생길 수 있는데, 학문적인 용어로 빈자리 결함이라 한다. 이런 빈자리 결함을 가진 물질을 촉매로 쓰이면 화학반응을 촉진할 수 있다.

 

전이금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴(MoSe)’ 등은 물의 전기분해에서 수소 발생을 돕는다. 이 촉매에 후처리 공정을 하면 인위적으로 빈자리 결함을 만들어낼 수 있고, 이때 수소 생산 효율이 높아진다. 하지만 후처리 공정이 들어가면 전체 합성 과정이 복잡해져 공정비용이 높아진다는 한계가 있다.

 

 

공동연구팀은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 후처리 공정 없이단번에 빈틈, 즉 빈자리 결함을 도입하는 데 성공했다. 이 방법으로 합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과, 수소발생반응의 중요한 지표 중 하나인 타펠 기울기(Tafel slope)가 귀금속인 백금 촉매에 가깝게 나타났다. 타펠 기울기 값이 작을수록 수소발생반응이 잘 일어나는데, 연구진이 합성한 촉매의 타펠 기울기는 전이금속 기반 촉매(TMDs) 단독 물질로는 최저값을 기록했다.

 

 

연구팀은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해 셀레늄(Se) 빈자리 결함이 연속적(coalesced)으로 존재하는 걸 확인했고, 연속적인 빈자리 결함이 수소 발생에 필요한 수소 흡착 에너지수소 확산 장벽을 크게 줄이는 걸 발견했다.

 

물에 존재하는 수소 이온(H+)이 수소 기체(H)가 되려면, 수소 이온이 촉매에 붙는 흡착이 잘 이뤄지고, 흡착된 수소 원자가 다른 원자를 사이를 잘 이동하는 확산이 활성화돼야 타펠 반응(Tafel reaction)이 활성화된다. 두 가지 모두를 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 활성화해준 것이다.

 

 

특히, 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 수소 확산 장벽을 감소시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 이번 연구에서 처음 밝혀졌다. 이 내용은 향후 빈자리 결함을 설계해 고효율의 전이금속 촉매를 개발하는 데 기여할 전망이다.

 

박혜성 교수는 이번 연구는 이차원(2D) 물질의 합성뿐 아니라 수소 발생 촉매의 발전에 있어서도 중요한 연구라며 빈자리 결함을 제어해 새로운 2D 물질을 만들어내고, 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속(전이금속) 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것이라고 기대했다.

 

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