국내 연구진이 촉매 구조의 빈틈을 이용해 수소를 생산하는 기술을 개발했다.
UNIST는 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀이 전이금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴(MoSe2)이 갖는 빈자리 결함(Vacancy)을 조절해 수소 발생반응이 촉진되는 원리를 밝혔다고 7월18일 밝혔다.
MoSe2을 실시간으로 합성하면서 빈자리 결함을 정교하게 조절함으로써 고가의 후처리 공정을 거치지 않고도 수소 생산반응에 알맞은 빈자리 결함을 만들어내는데 성공했다.
빈자리 결함이란 둘 이상의 원자가 합쳐진 물질의 규칙적인 구조 사이에 원자의 빈자리가 생기는 것을 가리키며, 빈자리 결함을 가진 물질을 촉매로 쓰면 화학반응을 촉진할 수 있다.
전이금속 기반 촉매인 MoSe2 등은 물의 전기분해에서 수소 발생을 도우며 후처리 공정으로 인위적으로 빈자리 결함을 만들어낼 수 있고 수소 생산효율이 높아지지만 후처리 공정이 들어가면 전체 합성과정이 복잡해져 공정비용이 높아진다는 한계가 있다.
공동연구팀은 MoSe2을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 후처리 공정 없이 단번에 빈자리 결함을 도입하는 데 성공했으며 합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과 수소 발생반응의 중요한 지표인 타펠 기울기(Tafel Slope)가 귀금속인 백금촉매에 가깝게 나타났다.
타펠 기울기 값이 작을수록 수소 발생반응이 잘 일어나며 연구진이 합성한 촉매의 타펠 기울기는 전이금속 기반 촉매(TMDs) 단독 물질로 최저값을 기록했다.
아울러 연구팀은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해 셀레늄 빈자리 결함이 연속적으로 존재하는 걸 확인했으며 연속적인 빈자리 결함이 수소 발생에 필요한 수소 흡착 에너지와 수소 확산장벽을 크게 줄이는 것을 발견했다.
특히, 수소 확산장벽을 감소시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 처음 밝혀진 것으로 앞으로 고효율 전이금속 촉매를 개발하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
박혜성 교수는 “2차원(2D) 물질의 합성 뿐만 아니라 수소 발생촉매의 발전에서도 중요한 연구”라며 “빈자리 결함을 제어해 새로운 2D 물질을 만들어내고 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속(전이금속) 기반 수소 발생촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것”이라고 강조했다. (K)