“빈틈” 이용한 수소 생산… 비귀금속 촉매 구조 개발

‘수소경제’의 핵심인 수소를 생산하는 친환경적인 방법으로 ‘물의 전기분해’가 꼽힌다. 물에 전기를 흘려서 수소와 산소로 나누는 원리인데, 여기에는 반응을 돕는 ‘촉매’가 필요하다. 기존 귀금속 촉매를 대체하는 값싼 비귀금속 촉매 연구가 활발한 가운데, 촉매 구조의 ‘빈틈(vacancy)’을 이용하는 방법이 나와 눈길을 끌고 있다.

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀은 전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’가 가지는 빈자리 결함(vacancy)을 조절해 수소발생반응이 촉진되는 원리를 밝혔다. 연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 실시간(in-situ)으로 합성하면서 빈자리 결함을 정교하게 조절했다. 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소 생산 반응에 알맞은 빈자리 결함을 만들어낸 것이다.

[그림1.]MoSe₂의 In-Situ 합성원리와 빈자리 결함(vacancy)에 따른 화학적 성분 분석

둘 이상의 원자가 합쳐진 물질은 각 원자가 규칙적으로 쌓여 결정(結晶)을 이룬다. 이때 규칙적인 구조 사이에 원자의 빈자리가 생길 수 있는데, 학문적인 용어로 ‘빈자리 결함’이라 한다. 이런 ‘빈자리 결함’을 가진 물질을 촉매로 쓰이면 화학반응을 촉진할 수 있다.

전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’ 등은 물의 전기분해에서 수소 발생을 돕는다. 이 촉매에 후처리 공정을 하면 인위적으로 빈자리 결함을 만들어낼 수 있고, 이때 수소 생산 효율이 높아진다. 하지만 후처리 공정이 들어가면 전체 합성 과정이 복잡해져 공정비용이 높아진다는 한계가 있다.

공동연구팀은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 ‘후처리 공정 없이’ 단번에 빈틈, 즉 빈자리 결함을 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. 타펠 기울기 값이 작을수록 수소발생반응이 잘 일어나는데, 연구진이 합성한 촉매의 타펠 기울기는 전이금속 기반 촉매(TMDs) 단독 물질로는 최저값을 기록했다.

그림2. 빈자리 결함(vacancy)가 도입된 MoSe2의 수소 발생 반응 촉매 활성도(타펠 기울기값) 분석

연구팀은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해 셀레늄(Se) 빈자리 결함이 연속적(coalesced)으로 존재하는 걸 확인했다. 또 연속적인 빈자리 결함이 수소 발생에 필요한 ‘수소 흡착 에너지’와 ‘수소 확산 장벽’을 크게 줄이는 걸 발견했다. 물에 존재하는 수소 이온(H+)이 수소 기체(H₂)가 되려면, 수소 이온이 촉매에 붙는 ‘흡착’이 잘 이뤄지고, 흡착된 수소 원자가 다른 원자를 사이를 잘 이동하는 ‘확산’이 활성화돼야 타펠 반응(Tafel reaction)이 활성화된다. 두 가지 모두를 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 활성화해준 것이다.

그림3. 범밀도함수론(DFT)을 통한 수소발생반응(HER) 성능 향상 원인 분석

특히, 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 수소 확산 장벽을 감소시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 이번 연구에서 처음 밝혀졌다. 이 내용은 향후 빈자리 결함을 설계해 고효율의 전이금속 촉매를 개발하는 데 기여할 전망이다.

박혜성 교수는 “이번 연구는 이차원(2D) 물질의 합성뿐 아니라 수소 발생 촉매의 발전에 있어서도 중요한 연구”라며 “빈자리 결함을 제어해 새로운 2D 물질을 만들어내고, 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속(전이금속) 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것”이라고 기대했다.