울산과기원, 수소생산 효율 높이는 '물 분해 촉매' 개발

울산과기원, 수소생산 효율 높이는 '물 분해 촉매' 개발
박혜성·김건태·이준희 교수팀, 비귀금속 촉매 합성…반응 촉진 원리도 규명


(울산=연합뉴스) 허광무 기자 = 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 수소 생산을 위한 수전해(물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 것) 효율을 높이는 촉매를 개발했다.
박혜성·김건태·이준희 에너지 및 화학공학부 교수팀은 전이금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)이 가진 '빈자리 결함'(vacancy)을 조절, 수소 발생이 촉진되는 원리를 규명했다고 18일 밝혔다.
수소를 생산하는 친환경적 방법으로 수전해 기술이 꼽히는데, 이때 물 분해 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 그동안은 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매 성능이 우수하다고 보고됐지만, 가격이 비싸고 안정성이 낮아 상용화가 어려웠다.
이에 연구진은 비귀금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하고, 그 효율을 높이는 원리도 확인했다.
둘 이상의 원자가 합쳐진 물질은 각 원자가 규칙적으로 쌓여 결정(結晶)을 이룬다. 이때 규칙적인 구조 사이에 원자 빈자리가 생길 수 있는데, 이를 학문적으로 빈자리 결함이라 한다. 이 빈자리 결함을 가진 물질을 촉매로 쓰면 화학반응을 촉진할 수 있다.
이셀레나이드 몰리브덴은 수전해를 통해 수소 발생을 돕는데, 이 촉매에 후처리 공정을 하면 빈자리 결함을 만들어 생산 효율을 높인다. 그러나 후처리 공정에 들어가면 전체 합성 과정이 복잡해져 공정비용이 커진다는 한계가 있다.
연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 후처리 공정 없이 단번에 빈자리 결함을 도입하는 데 성공했다.
합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과, 귀금속 촉매인 백금의 활성도와 비슷한 수준으로 나타났다.
연구진은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해, 셀레늄(Se) 빈자리 결함이 연속적으로 존재하는 것을 확인했다. 또 연속적인 빈자리 결함이 수소 발생에 필요한 '수소 흡착 에너지'와 '수소 확산 장벽'을 크게 줄인다는 점도 발견했다.
수소가 발생하려면 수소 이온이 촉매에 붙는 흡착이 잘 이뤄지고 흡착된 수소 원자가 다른 원자 사이를 이동하는 확산이 잘 돼야 하는데, 두 가지 모두를 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 활성화해준 것이다.
특히 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 수소 확산 장벽을 감소 시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 이번 연구에서 처음 밝혀졌다. 이 내용은 앞으로 빈자리 결함을 설계해 고효율 전이금속 촉매를 개발하는 데 이바지할 전망이다.
박 교수는 "이번 연구는 2차원 물질 합성뿐 아니라 수소 발생 촉매 발전에도 중요하다"면서 "빈자리 결함을 제어해 새로운 2차원 물질을 만들고, 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것"이라고 밝혔다.
이번 연구는 에너지 분야 과학저널 '나노 에너지'(Nano Energy) 5일 자에 게재됐다.
hkm@yna.co.kr
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