그린 수소 생산을 위한 차세대 촉매 개발

- 2차원 소재 구조제어 통해 촉매 활성도 1,000배 향상 확인

수전해 기술¹중 수소 발생 반응(HER)²의 성능을 향상할 수 있는 전략이 제시됐다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 전기준 인하대학교 교수 연구팀과 박철민 금오공과대학교 교수가 수전해 반응에서 촉매로 많이 활용되는 2차원 소재 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조를 제어할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다고 지난달 13일 밝혔다.
  수전해 과정에서 반응과 효율 등을 증가시키기 위해 촉매를 사용하는데, 반응성이 가장 높은 귀금속의 경우 값이 비싸 경제성을 보완할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 우수한 촉매 후보군으로 각광 받는 2차원 소재의 경우, 다층보다 단일 원자층에서 높은 효율을 갖는데, 단일층 내에서도 구조적으로 다른 2개 상(Phase)에 따라 성능 차이를 보인다. 하지만, 고품질의 균일한 단일층을 합성하면서도 존재하는 2개의 구조가 다른 상을 제어하는 데 한계가 있었다.
  연구팀은 화학기상증착법(CVD)³을 통해 균일한 단일 원자층의 이황화몰리브덴을 제작, 여기에 극미량(<1%)의 팔라듐 금속을 삽입해 원자층에 존재하는 2개의 상을 조절하는 데 성공했다. 합성된 이황화몰리브덴은 기존 합성연구의 결과와 비교해 높은 순도 및 수전해 효율을 보였다. 구조적 상변이 비율을 최대 86%까지 제어하였으며, 이는 세계 최고 기술 수준을 달성한 수치이다. 이를 확인하기 위한 지표로서 라만 분광법(Raman Spectroscopy)⁴을 통해 구조적 상변이를 확인할 수 있는 새로운 기준을 제시했다는 점에서도 의미가 있다. 또한, 수소 발생 효율 측면에서 최고 수준의 백금 촉매와 유사한 수치를 보였고, 특히 기존 백금 촉매 대비 1,000배 이상 높은 촉매 질량 활성(Mass activity) 수치를 확인했다.
  연구팀은 “수전해 반응 촉매, 반도체, 광소자 및 전자소자 등 다양한 연구 및 산업 방면에서 상의 구조적인 제어를 통해 각 분야에 적합한 정도의 상 비율을 조절할 수 있어 전략적 응용이 가능할 것”으로 기대했다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 메터리얼즈’(Advanced Energy Materials)에 4월 25일 게재됐다.

[연구내용 개요]

1. 연구의 필요성

수전해 반응은 물에 전기를 인가하여 수소와 산소로 분해하는 반응이며, 수소 발생 반응, 산소 발생 반응으로 구성된다. 반응과 효율 등을 증가시키기 위해 사용되는 촉매는 대부분 반응성이 우수한 귀금속으로 구성되어 있으며, 귀금속 함량을 저감 하여 우수한 성능 유지, 경제성 보유할 수 있는 촉매에 관한 연구가 진행되고 있다.
  2차원 소재의 촉매는 낮은 질량 농도, 기저면의 표면 원자 등 장점이 있어 우수한 촉매 후보군으로 알려져 있다. 2차원 소재인 단일 원자층 이황화몰리브덴은 물리 화학적으로 반도체상인 2H, 금속상인 1T가 존재하며 구조적으로도 다른 특성을 가지고 있다. 또한, 전기화학적으로는 반도체상(2H) 보다 금속상(1T)이 우수한 성능을 보유하고 있다.
  금속상(1T)의 제어 연구는 진행되어 왔지만, 반도체상(2H)으로 돌아가려는 특성에 의한 한계점이 있어 이를 해결하고자 본 연구를 진행하였다.

<그림 1> 팔라듐 금속 삽입을 통한 단일 원자층 이황화몰리브덴의 구조적 변환 도식도.

논문명
Pd Sulfidation-Induced 1T-Phase Tuning in Monolayer MoS2 for Hydrogen Evolution Reaction
저  자
전기준 교수(교신저자/인하대학교), 박철민 교수(교신저자/금오공과대학교), 히옌 듀이 메이(Hien Duy Mai) 박사(제1저자/인하대학교), 정상민 박사 (공동저자/인하대학교), 배기남 박사과정(공동저자/인하대학교), 녹 민 트란(Ngoc Minh Tran) 박사(공동저자/인하대학교), 윤종상 교수(공동저자/가톨릭대학교)

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>