[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

수소는 다양한 에너지원(화석연료, 바이오 연료 등)으로부터 생산이 가능하며 사용과정에서 유해한 부산물을 배출하지 않는다. 이런 장점 덕분에 전 세계적으로 수소생산 연구에 대한 관심이 높다. 다양한 수소생산방법 중 ‘수전해 기술’은 전기화학적인 방법으로 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다.

수전해 기술에서 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 환원전극(수소발생반응 전극)과 산화전극(산소발생반응 전극)에 사용되는 촉매다. 현재까지는 귀금속 촉매가 환원전극(백금 기반 물질)과 산화전극(이리듐 기반 물질)으로 쓰일 때, 가장 우수한 수전해 성능을 발휘한다고 알려졌다. 하지만 귀금속 촉매의 경우, 수소발생반응 전극과 산소발생반응 전극에서 우수한 귀금속의 종류가 다르다. 또 귀금속 촉매 자체의 안정성도 부족해 상용화와 대량화 측면에 경제성이 낮았다.

2. 연구내용

본 연구진은 액상박리된 전이금속칼코겐화합물의 한 종류인 ‘몰리브덴다이셀레나이드(MoSe₂)’와 졸겔 방법으로 합성된 페로브스카이트산화물의 한 종류인 ‘란탄스트론튬코발트산화물(La0.5Sr0.5CoO3-δ, LSC)’을 간단한 볼밀 공정*을 통해서 이종구조 수전해 촉매를 합성했다. 합성된 이종구조는 LSC 물질 대비 3배 이상의 증가된 비표면적을 보였다.

합성된 이종구조 수전해 촉매에서는 MoSe₂와 LSC 사이에서 전자가 이동하면서 부분적인 상전이가 관찰됐다. 연구진은 이 내용을 실험적·이론적으로 규명했다. MoSe₂는 반도체 성질을 보이는 물질로 구조는 육방형 (2H-MoSe₂, 육방정계 단위 격자 당 두 개의 층으로 형성 된 구조)이다. 그런데 LSC에서 전자를 전달받게 되면 구조가 뒤틀린 팔면체형 (1T-MoSe₂, 삼방정계 단위 격자 당 한 개의 층으로 형성된 구조)으로 바뀌면서 금속 성질을 가지게 된다. 그 결과 전기를 전달하는 성질이 전도성이 증가해 수전해 촉매 성능도 증대된다. 전자를 넘겨준 LSC는 더욱 친전자성(전자를 좋아하는 성질)이 돼 물을 전기분해하는 과정에서 생성되는 중간생성물인 하이드록시기** 등을 더욱 흡착 할 수 있게 된다. 이런 현상 역시 수전해 촉매의 성능을 높이는 데 도움을 준다.

연구진은 환원전극과 산화전극에 모두 새로 개발한 이종구조 촉매를 적용한 전체 수전해 전지(Full-cell)를 제작했다. 이 전지로 실험한 결과 귀금속 촉매 전극(Pt/C, IrO₂)에 버금가는 우수한 수전해 성능이 확인됐다. 가로세로가 1센티미터(㎝)인 전극에 100밀리암페어(㎃)라는 강한 전류를 흘리는 가혹한 환경(100㎃ ㎝⁻²)에서 1,000 시간 이상 안정적으로 작동한 것이다. 이는 현재까지 보고된 수전해 촉매의 안정성 중 최고 수준이다. (기존에 보고된 수전해 촉매는 50㎃ ㎝⁻² 정도에서도 안정성이 좋지 못했다.)

^*볼밀(ball mill) 공정: 원통 안에 쇠구슬을 넣고 부수거나 가루를 낼 물질을 넣고 돌리면서 합성하는 공정. 이번 연구에서는 몰리브덴다이셀레나이드와 란탄스트로튬코발트산화물을 함께 넣고 쇠구슬을 굴리면서 이종구조 수전해 촉매를 합성했다.

**하이드록시기(hydroxy基): 한 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자로 이루어진 일가(一價)의 원자단. 화학식은-OH. 비슷한 말로는 수산기, 하이드록실기, 히드록시기, 히드록실기 등이 있다.

3. 기대효과

지금까지 보고된 대부분의 수전해 촉매들은 실험실 규모에서 합성됐으며, 합성 공정도 복잡해 상업화하기 어려웠다. 반면, 이번에 개발한 수전해 촉매는 ‘간단한 합성, 높은 재현성, 대량화’라는 세 가지 조건을 충족할 수 있어 상업화에 근접했다고 볼 수 있다.

기존에는 전이금속칼코겐화합물을 수전해 촉매로 적용할 경우, 성능 증대를 위한 복잡한 상전이 과정을 거쳐야 했다. 하지만 이번 논문에서 입증한 방법을 이용하면 간단한 방법으로 상전이를 유도할 수 있다. 이는 향후 상전이 방법에 대한 새로운 시각을 제시할 것으로 기대된다.

또한 전이금속칼코겐화합물과 페로브스카이트산화물은 다양한 원소를 조합해 만들어낼 수 있다. 이 점을 고려하면 다양한 이종구조 합성이 가능하므로 수전해 촉매의 성능과 안정성이 극대화할 수 있는 잠재력이 큰 것으로 판단된다.

[붙임] 용어설명

1. 전이금속칼코겐화합물(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)

전이금속칼코겐화합물은 MX₂ 화학식으로 나타내며 M은 전이금속원소(주기율표에서 4-6족), X는 칼코겐원소(주기율표에서 16족)이다. 한 층의 전이금속칼코겐화합물에서 전이금속과 칼코겐원소는 매우 강한 공유결합을 하는 반면, 층과 층 사이는 공유결합에 비해 약한 반데르발스 결합으로 구성된다. 층간의 약한 반데르발스 결합력으로 인해 층간 박리를 통해서 원자 한 층 수준으로 합성이 가능하다. 또한 전이금속칼코겐화합물은 그래핀과 같은 우수한 광학적 투과성과 기계적 유연성을 가지며 1~2전자볼트(eV) 수준의 밴드갭을 가져 전자소자 및 에너지소재로 응용이 가능하다. 대표적인 전이금속칼코겐화합물로는 몰리브덴다이설파이드(MoS₂), 텅스텐다이설파이드(WS₂), 몰리브덴다이셀레나이드(MoSe₂), 텅스텐다이셀레나이드(WSe₂) 등이 존재한다.

2. 페로브스카이트산화물(Perovskite Oxide)

페로브스카이트산화물은 ABO₃(A, B: 양이온, O: 산소)의 페로브스카이트 결정구조를 가지며 압전성, 강유전성, 전광성질, 자성 등의 특성을 가진다. 또 높은 전기전도도 및 촉매 활성으로 금속-공기전지, 산소발생반응의 촉매 등으로 활용된다.

3. 상전이(Phase Transition)

전이금속칼코겐화합물은 동질이상(polymorphism)이라는 복수의 상을 가지며 상에 따라서 금속성, 반도체성 등의 물성을 가진다. 대표적으로 몰리브덴다이설파이드(MoS₂)의 경우 육방형의 2H 구조는 반도체성을, 뒤틀린 팔면체의 1T 구조는 금속성을 보인다. 일반적으로 상전이를 유발하기 위해서는 알칼리금속 층간 삽입을 통한 상전이, 플라즈몬을 이용한 뜨거운 전자삽입, 고압을 이용한 상전이 등의 방법 등이 존재한다.

4. 수전해 촉매(Water Electrolysis Catalyst)

물을 전기분해해 수소 기체와 산소 기체로 만들기 위해서 필요한 촉매. 수소생산에 필요한 높은 과전압을 낮추기 위해 사용된다.

[붙임] 그림설명