[투데이에너지 박설민 기자] 국내연구진이 수소를 생산하는 친환경적인 방법인 수전해에서 사용되는 기존 귀금속 촉매를 대체할 저렴한 비귀금속 촉매구조의 ‘빈자리결함(vacancy)'를 이용하는 방법을 개발했다.
울산과학기술원(총장 정무영, 이하 UNIST) 에너지 및 화학공학부 공동연구팀은 전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’가 가지는 ‘빈자리결함’을 조절해 수소발생반응이 촉진되는 원리를 밝혔다.
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 ‘빈자리결함’이라 한다. 이런 ‘빈자리 결함’을 가진 물질을 촉매로 쓰이면 화학반응을 촉진할 수 있다.
연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 실시간(in-situ)으로 합성하면서 빈자리결함을 정교하게 조절했다. 이에 따라 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소생산반응에 알맞은 빈자리결함을 만들어내는데 성공했다고 밝혔다.
전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’ 등은 물의 전기분해에서 수소발생을 돕는다. 이 촉매에 후처리 공정을 하면 인위적으로 빈자리결함을 만들어낼 수 있다. 이때 수소 생산 효율이 높아지나 후처리 공정이 들어가면 전체 합성과정에서 공정비용이 높아진다는 한계가 있다.
공동연구팀은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 후처리 공정 없이 단번에 빈자리결함을 도입하는 데 성공했다.
이 방법으로 합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과 수소발생반응 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 전이금속기반 촉매(TMDs) 단독 물질로는 최저값을 기록했다.
연구팀은 새로 합성한 촉매를 원자단위 이미지로 분석해 셀레늄(Se) 빈자리결함이 연속적(coalesced)으로 존재하는 걸 확인했다. 또한 연속적인 빈자리결함이 수소발생에 필요한 ‘수소 흡착 에너지’와 ‘수소 확산 장벽’을 크게 줄이는 걸 발견했다.
물에 존재하는 수소 이온(H+)이 수소 기체(H₂)가 되기 위해선 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 빈자리결함이 활성화해준 것이다.
특히 연속된 셀레늄 원자의 빈자리결함이 수소확산장벽을 감소시켜 귀금속기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 이번 연구에서 처음 밝혀졌다. 이는 향후 빈자리결함을 설계해 고효율의 전이금속 촉매를 개발하는데 기여할 전망이다.
박혜성 공동연구팀 교수는 “이번 연구는 이차원 물질의 합성뿐 아니라 수소발생촉매의 발전에 있어서도 중요한 연구”라며 “빈자리결함을 제어해 새로운 이차원 물질을 만들어내고 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속(전이금속)기반 수소발생촉매를 연구하는데 많은 도움이 될 것”이라고 기대했다.
이번연구는 정후영 UNIST 연구지원본부 교수도 함께 참여했으며 미래창조과학부 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 창의소재디스커버리사업 지원으로 진행됐다.