UNIST 박혜성·김건태·이준희 에너지 및 화학공학부 교수팀은 전이금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)이 가진 ‘빈자리 결함’(va cancy)을 조절, 수소 발생이 촉진되는 원리를 규명했다고 18일 밝혔다.
수소를 생산하는 친환경적 방법으로 수전해 기술이 꼽히는데, 이때 물 분해 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 그동안은 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매 성능이 우수하다고 보고됐지만, 가격이 비싸고 안정성이 낮아 상용화가 어려웠다.
이에 연구진은 비귀금속 기반 촉매인 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하고, 그 효율을 높이는 원리도 확인했다.
둘 이상의 원자가 합쳐진 물질은 각 원자가 규칙적으로 쌓여 결정(結晶)을 이룬다. 이때 규칙적인 구조 사이에 원자 빈자리가 생길 수 있는데, 이를 학문적으로 빈자리 결함이라 한다. 이 빈자리 결함을 가진 물질을 촉매로 쓰면 화학반응을 촉진할 수 있다.
연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 후처리 공정 없이 단번에 빈자리 결함을 도입하는 데 성공했다.
합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과, 귀금속 촉매인 백금의 활성도와 비슷한 수준으로 나타났다.
연구진은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해, 셀레늄(Se) 빈자리 결함이 연속적으로 존재하는 것을 확인했다. 또 연속적인 빈자리 결함이 수소 발생에 필요한 ‘수소 흡착 에너지’와 ‘수소 확산 장벽’을 크게 줄인다는 점도 발견했다.
특히 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 수소 확산 장벽을 감소 시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 이번 연구에서 처음 밝혀졌다. 이번 연구는 에너지 분야 과학저널 ‘나노 에너지’(Nano Energy) 5일 자에 게재됐다. 강은정 기자