‘잉여 원자’의 힘!… 수소 대량으로 만든다!

차세대 청정에너지원인 수소를 대량으로 생산할 수 있는 새로운 촉매가 개발됐다. 물질 구조 속에서 남아도는 원자들이 수소 생산량을 높이는 핵심이라는 사실도 함께 밝혀져 눈길을 끌고 있다.

UNIST 정후영·신현석 교수팀은 영국 캠브리지 대학 매니쉬 초왈라 (Manish Chhowalla) 교수팀과 공동으로 수소를 대량으로 생산할 수 있는 촉매(금속성 이황화나이오븀)를 개발했다. 새로운 촉매는 결정구조 내 ‘잉여 원자’가 전기전도성을 바꿔 기존 촉매보다 수소 생산량을 월등히 높인다.

수소는 무한히 재생산이 가능한 차세대 청정에너지원으로 꼽힌다. 하지만 현재 수소 생산에 필요한 촉매는 백금 같은 고가의 금속에 의존하고 있어 대중화에 한계가 있다. 백금을 대신할 촉매 개발이 활발한 가운데 ‘전이금속 칼코젠화물’도 주요 후보군으로 꼽힌다.

전이금속 칼코젠화물은 주기율표상 4, 5, 6족에 자리한 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se) 같은 칼코겐 원소가 결합한 화합물이다. 이 물질은 주로 반도체 성질을 띠지만 금속 성질을 가지는 가장자리에서는 수소 발생이 가능하다. 이 덕분에 금속성 전이금속 칼코젠화물이 차세대 수소 발생 촉매로 각광받는다. 하지만 금속성 전이금속 칼코젠화물은 합성이 까다로워 실험적으로 구현된 적이 없었다.

그림 1. Nb1.35S2의 전기화학적 안정성 및 실제 전해조 테스트 a) 전기화학적인 임피던스 스팩트럼 b) 전기화학적인 안정도 평가 c) 대용량 수소 발생 관찰을 위한 전해조 테스트 쎌. d) 전해조를 통한 물 분해 결과. 음극으로 Nb1+XS2, 양극으로 백금을 사용함. 전류밀도가 1000 mA/cm2까지 도달함.

공동연구팀은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 새로운 구조의 금속성 전이금속 칼코젠화물, 이황화나이오븀(NbS₂)을 합성했다. 이 촉매의 전류 밀도(Current density)는 기존의 이차원 전이금속 칼코젠화물에 비해 100배 이상 높았다. 전류 밀도가 높을수록 동일한 전압에서 생산되는 수소량이 많아지므로, 수소 발생 촉매로서 가능성을 보여준 것이다.

제1저자로 참여한 UNIST 출신 양지은 박사는 “실제로 수소를 만드는 전해조의 음극에 이황산화나이오븀을 적용하자, 1㎠ 면적에 1시간당 30ℓ의 수소를 방출했다”며 “이 정도는 상용화된 백금 촉매와 비슷한 수준으로 대량으로 수소를 생산하면서 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있다는 점에서 상용화 가능성이 아주 높을 것”이라고 기대했다.

그림 2. Nb1+XS2의 결정과 원자구조: a) 유리상 탄소에 성장된 Nb1+XS2(x ~ 0.35) 의 원자간힘현미경 이미지. b) 2H(결정구조) Nb1.35S2 와 c) 3R Nb1+XS2 단면 STEM 이미지. 이미지 b와 c의 적색 직사각형은 NbS2 층간에 추가적으로 끼어들어간 나이오븀 원자를 보여줌.

또 연구팀은 단면 주사투과전자현미경 기법을 통해, 합성된 촉매의 결정 구조를 분석했다. 이번에 합성한 이황화나이오븀은 한 층이 아니라 여러 층이 쌓인 구조(적층형)다. 연구팀의 관측 결과, 적층형 이황화나이오븀 층간에는 추가적인 나이오븀 원자가 존재했다. 특히 나이오븀이 촉매 표면에 자리할수록 촉매 성능이 우수해졌다.

공동교신저자로 참여한 정후영 교수는 “촉매의 금속성이 향상되면 수소 흡착 에너지가 작아진다”며 “흡착 에너지가 작을수록 수소 원자가 촉매 표면에 잘 달라붙어 수소 생성 반응이 활발해지므로 더 좋은 촉매가 된다”고 설명했다.

그는 이어 “과거 문헌으로만 알려지고 증명하지 못했던 잉여 나이오븀을 지닌 이황화나이오븀(Nb1+XS2)의 구조를 주사투과전자현미경으로 최초 확인한 연구”라며 “다른 적층형 물질에 응용할 경우 새로운 촉매구조를 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 재료 분야에서 세계적인 권위를 인정받는 학술지인 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 8월 27일(화)자로 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단 미래소재디스커버리사업 지원으로 이뤄졌다.