최근 귀금속 수전해 촉매의 대체재로 많은 관심을 받고있는 페로브스카이트 산화물의 촉매 효율을 크게 향상시킬 수 있는 합성법이 개발돼 주목받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 박혜성 교수와 동국대(총장 윤재웅) 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 공동연구팀은 이차원 소재인 전이금속 칼코겐 화합물을 페로브스카이트 산화물의 성장기판으로 활용했다. 이를 통해 촉매의 표면 결정 구조와 전자 구조의 품질을 높이고 성능을 향상시킬 수 있는 합성법을 개발했다.
그림1. 페로브스카이트 산화물과 전이금속 칼코겐 화합물에 의해 표면 결정 구조 및 전자 구조가 제어된 페로브스카이트 산화물 모식도
수전해를 통한 수소 생산법은 온실가스나 대기오염 물질을 배출하지 않아 친환경적 수소 생산 방식으로 각광받고 있다. 하지만 공정에 사용되는 고비용의 귀금속 촉매로 인해 수소 생산 단가가 높다는 단점을 가진다.
페로브스카이트 산화물은 구성 원소와 전자 구조의 품질을 높이기 용이해 귀금속 대체 수전해 촉매로 많은 연구가 이뤄지고 있지만 귀금속 촉매 대비 산소발생 효율이 낮다는 문제점을 가진다. 통상적으로 촉매의 표면 결정 구조와 전자 구조는 물로부터 수소와 산소를 생산하는 반응과정에서 생성되는 중간 생성물과의 흡·탈착 반응과 직결되는 특성이다. 따라서 이를 제어하는 기술이 매우 중요하다.
그림2. 전이금속 칼코겐 화합물을 성장기판으로 활용한 페로브스카이트 산화물 직성장 모식도
연구팀은 이러한 특성을 제어하기 위한 효과적인 방법을 밝혀냈다. 반응성이 높은 페로브스카이트의 결정 구조와 유사한 원자 간격을 가지며 전자를 끌어당기는 힘이 강한 이차원 소재를 성장기판으로 활용하는 것이다. 이차원 소재 위에 직성장을 통해 합성된 페로브스카이트 산소 발생 촉매는 귀금속 촉매인 이리듐 산화물보다 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하며 뛰어난 산소 발생 효율을 보였다.
그림3. 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물의 결정 구조 및 전자 구조 분석
제 1저자인 김웅수 신소재공학과 박사과정 연구원은 “촉매의 효율 향상을 위한 핵심 요소를 제어하기 위한 성장기판의 특성을 밝히고 이를 촉매 물질 설계에 적용하여 고성능 촉매를 개발할 수 있었다”고 설명했다.
박혜성 신소재공학과 교수는 “성장기판을 활용한 페로브스카이트 산화물 직성장 기법은 촉매의 효율과 직결되는 표면 결정 구조와 전자 구조를 효과적으로 제어할 수 있다”며 “수전해 촉매뿐만 아니라 다양한 촉매 합성에 응용 가능하다는 점에 있어 학문적 의의가 크다”고 설명했다.
그림4. 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물의 전기화학적 산소발생 효율, 안정성 및 페로브스카이트 산화물 기반 촉매와의 촉매 성능 비교도
이번 연구는 저명한 국제학술지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 2월 23일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단의 ‘기초연구실지원사업’의 지원으로 이뤄졌다.
