UNIST 박혜성·김건태·이준희 교수팀, 물 전기분해 새 원리 규명 주성미 ▲ UNIST 에너지 화학공학부 박혜성 교수. (UNIST 제공) ▲ UNIST 에너지 및 화학공학부 김건태 교수. (UNIST 제공) ▲ UNIST 에너지 및 화학공학부 이준희 교수. (UNIST 제공) 물을 전기분해해 수소 생산을 돕는 촉매의 ‘빈틈’을 이용하는 방법이 제시됐다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀이 전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’의 빈자리 결함을 조절해 수소발생반응이 촉진되는 원리를 규명했다고 18일 밝혔다. 연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 실시간으로 합성하면서 빈자리 결함을 정교하게 조절했다. 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소 생산반응에 적합한 빈자리 결함을 만들어낸 것이다. ‘빈자리 결함’은 둘 이상의 원자가 합쳐진 물질의 규칙적인 구조 사이에 발생하는 원자의 빈자리를 말한다. ‘빈자리 결함’을 가진 물질을 촉매로 활용하면 화학반응을 촉진할 수 있다. 이셀레나이드 몰리브덴 등은 물을 전기분해하는 데 수소 발생을 돕는다. 이 촉매에 후처리 공정을 하면 인위적으로 빈자리 결함을 만들어낼 수 있고, 수소 생산 효율도 높아진다. 그러나 전체 합성과정이 복잡해져 공정비용이 높아진다는 단점도 있다. 연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 후처리 공정 없이 ‘빈자리 결함’을 도입하는 데 성공했다. 이 방법으로 합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과 수소발생반응의 중요한 지표 중 하나인 타펠 기울기(Tafel slope)가 귀금속인 백금 촉매에 가깝게 나타났다. 이 값이 작을수록 수소발생반응이 잘 일어나는데, 연구진이 합성한 촉매의 타펠 기울기는 전이금속 기반 촉매(TMDs) 단독 물질로는 최저값을 기록했다. 연구진은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해 셀레늄(Se) 빈자리 결함이 연속적으로 존재하는 것을 확인했다. 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 수소 확산 장벽을 감소시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것이 이번 연구에서 처음 밝혀졌다고 UNIST 측이 설명했다. 박혜성 교수는 “이번 연구는 이차원(2D) 물질의 합성뿐만 아니라 수소 발생 촉매의 발전에도 중요하다”며 “빈자리 결함을 제어해 새로운 2D 물질을 만들어내고, 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속(전이금속) 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것”이라고 말했다. 미래창조과학부·한국연구재단 중견연구자지원사업 및 창의소재디스커버리사업 지원을 받아 이뤄진 이번 연구는 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 7월 5일자에 실렸다.
울산과학기술원(UNIST)은 18일 에너지 및 화학공학부 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀이 전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’의 빈자리 결함을 정교하게 조절해 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소발생반응이 촉진되는 원리를 규명했다고 밝혔다.