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UNIST, 비귀금속 촉매개발로 '빈틈' 이용해 수소생산 효율성 강화

입력 2019.07.18. 13:38 댓글 0개
UNIST 연구진, 이셀레나이드 몰리브덴 합성 과정서 '빈자리 결함' 만들어 수소 생산
【울산=뉴시스】 박수지 기자 = 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀이 전이금속 기반 촉매인 '이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)'가 가지는 빈자리 결함(vacancy)을 조절해 수소발생반응이 촉진되는 원리를 규명했다. 왼쪽부터 박혜성, 김건태, 이준희 교수. 2019.07.18. (사진=울산과학기술원 제공). photo@newsis.com.

【울산=뉴시스】박수지 기자 = 국내 연구진이 원자 사이의 빈틈을 활용해 저비용·고효율의 비귀금속 촉매를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀이 전이금속 기반 촉매인 '이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)'가 가지는 빈자리 결함(vacancy)을 조절해 수소발생반응이 촉진되는 원리를 규명했다고 18일 밝혔다.

수소를 생산하는 친환경적인 방법으로 '물의 전기분해'가 꼽히는데, 여기에는 반응을 돕는 촉매가 필요하다.

이를 위해 값비싼 백금(Pt) 등 귀금속 촉매를 대신해 저렴하고 효율이 높은 촉매로 대체하려는 연구가 많이 진행되고 있다.

이에 연구진은 비귀금속 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 과정에서 빈틈을 만들어 수소생산의 효율을 높였다.

둘 이상의 원자가 합쳐진 물질은 각 원자가 규칙적으로 쌓여 결정(結晶)을 이루는데, 이때 규칙적인 구조 사이에 원자의 빈틈이 생기는 것을 '빈자리 결함'이라고 한다. 이같은 빈자리 결함을 인위적으로 만들어 주면 촉매의 반응이 더 높아진다.

전이금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴은 후처리 공정을 하면 인위적으로 빈자리 결함을 만들 수 있고, 수소생산의 효율도 높아진다. 하지만 후처리 공정이 들어가면 전체 합성 과정이 복잡해져 공정비용이 높아진다는 한계가 있다.

연구팀은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 '박막증착공정(CVD)'을 통해 후처리 공정 없이 단번에 빈자리 결함을 도입하는데 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.

또 연구팀은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해 셀레늄(Se) 빈자리 결함이 연속적(coalesced)으로 존재하는 걸 확인했는데, 이같은 연속적 결함이 수소 발생 반응에 필요한 에너지를 낮춰주는 효과가 있었다.

특히, 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 수소 확산 장벽을 감소시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 이번 연구에서 처음 밝혔다.

UNIST 관계자는 "향후 빈자리 결함을 설계해 고효율의 전이금속 촉매를 개발하는 데 기여할 전망"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 국제학술지 '나노 에너지(Nano Energy)'에 7월 5일자로 게재됐다.

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