[투데이에너지 박설민 기자] 울산과학기술원(총장 정무영, 이하 UNIST)과 영국 케임브리지 대학 연구팀이 공동연구를 통해 차세대 청정에너지원인 수소를 대량으로 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다.
정후영·신현석 UNIST 교수 연구팀은 매니쉬 초왈라 (Manish Chhowalla) 영국 캠브리지 대학 교수팀과 공동으로 수소를 대량으로 생산할 수 있는 촉매 ‘금속성 이황화나이오븀’를 개발했다고 15일 밝혔다.
현재 수소 생산에 필요한 촉매는 백금 같은 고가의 금속을 사용해 대중화에 한계가 있다.
이번에 개발된 새로운 촉매인 ‘금속성 이황화나이오븀’은 결정구조 내 ‘잉여 원자’가 전기전도성을 바꿔 기존 촉매보다 수소 생산량을 월등히 높이며 백금보다 가격 면에서 저렴하다.
이 새로운 촉매는 값비싼 백금을 대신할 ‘전이금속 칼코젠화물’을 실험을 통해 개발됐다.
전이금속 칼코젠화물은 주기율표상 4, 5, 6족에 자리한 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se) 같은 칼코겐 원소가 결합한 화합물로 주로 반도체 성질을 띠지만 금속 성질을 가지는 가장자리에서는 수소 발생이 가능하다.
이에 따라 금속성 전이금속 칼코젠화물이 차세대 수소 발생 촉매로 각광받고 있으나 금속성 전이금속 칼코젠화물은 합성이 까다로워 실험적으로 구현된 적이 없었다.
공동연구팀은 이를 해결하기 위해 화학기상증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)을 이용해 새로운 구조의 금속성 전이금속 칼코젠화물, 이황화나이오븀(NbS₂)을 합성했다.
이를통해 구현한 촉매의 전류 밀도(Current density)는 기존의 이차원 전이금속 칼코젠화물에 비해 100배 이상 높았다. 전류 밀도가 높을수록 동일한 전압에서 생산되는 수소량이 많아지므로 수소발생 촉매로서 가능성을 보여줬다.
양지은 UNIST 출신 박사는 “실제로 수소를 만드는 전해조의 음극에 이황산화나이오븀을 적용하자 1cm² 면적에 1시간당 30리터의 수소를 방출했다”라며 “이 정도는 상용화된 백금 촉매와 비슷한 수준으로 대량으로 수소를 생산하면서 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있다는 점에서 상용화 가능성이 아주 높을 것”이라고 기대했다.
또한 연구팀은 단면 주사투과전자현미경 기법을 통해 합성된 촉매의 결정구조를 분석했다. 이번에 합성한 이황화나이오븀은 한 층이 아니라 여러 층이 쌓인 적층형구조다. 연구팀의 관측 결과 적층형 이황화나이오븀 층간에는 추가적인 나이오븀 원자가 존재했다. 특히 나이오븀이 촉매 표면에 자리할수록 촉매 성능이 우수해졌다.
정후영 UNIST 교수는 “촉매의 금속성이 향상되면 수소 흡착 에너지가 작아진다”라며 “흡착 에너지가 작을수록 수소원자가 촉매표면에 잘 달라붙어 수소 생성반응이 활발해지므로 더 좋은 촉매가 된다”고 설명했다.
이어 정 교수는 “과거 문헌으로만 알려지고 증명하지 못했던 잉여 나이오븀을 지닌 이황화나이오븀(Nb1+XS2)의 구조를 주사투과전자현미경으로 최초 확인한 연구”라며 “다른 적층형 물질에 응용할 경우 새로운 촉매구조를 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 재료분야에서 세계적인 권위를 인정받는 학술지인 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 8월27일자로 공개됐으며 연구 수행은 한국연구재단 미래소재디스커버리사업 지원으로 이뤄졌다.