보도자료

2023. 4. 3 (월) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

이차원 소재로 수전해 촉매의 효율을 높이다!

UNIST 박혜성 교수팀, 이차원 소재를 활용해 수전해 촉매의 품질 높여
뛰어난 성능의 비귀금속 촉매 개발… ACS Energy Letters 게재

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.

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.

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.

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.

이번 연구는 저명한 국제학술지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 2월 23일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단의 ‘기초연구실지원사업’의 지원으로 이뤄졌다.

(논문명: Crystal Facet and Electronic Structure Modulation of Perovskite Oxides for Water Oxidation)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

신소재공학과: 박혜성 교수 (052)217-2563

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전기화학적 물분해 반응에서는 산소발생반응과 수소발생반응이 동시에 일어난다. 두 가지 반응 중 산소발생반응은 수소발생반응 대비 느린 반응속도와 높은 에너지 장벽을 가져 전체 수전해 반응의 효율을 제한한다. 이러한 문제점 해결을 위해 이리듐, 루테늄 기반의 귀금속 기반 촉매가 상용촉매로 사용되고 있지만 경제성 문제가 지속적으로 제기되어 왔다.

페로브스카이트 산화물은 구성원소 및 전자구조 제어의 용이성으로 인해 귀금속 촉매의 대체제로 많은 관심을 받고 있지만 귀금속 대비 낮은 촉매 효율은 상용화를 위한 걸림돌로 남아있다. 다양한 연구결과를 통해 페로브스카이트 산화물의 표면 결정구조 및 전자구조를 제어하는 것이 촉매 효율 향상을 위한 효과적인 방법이라 규명되었으나, 이를 구현하기 위한 합성법 개발은 미비한 상황이다.

2. 연구내용

본 연구팀은 이차원 소재인 몰리브덴과 레늄으로 구성된 전이금속 칼코겐 화합물 합금을 페로브스카이트 산화물의 성장기판으로 활용하여 페로브스카이트 산화물을 전이금속 화화물 표면에 직접 성장하였다. 표면에너지가 높고 페로브스카이트 산화물과 격자 상수가 유사한 이황화레늄은 반응성이 높은 표면 결정구조인 (110) 면으로의 성장을 가능하게 하였으며, 또한 페로브스카이트 산화물의 활성부위인 코발트와 전기음성도 차이가 큰 몰리브덴은 페로브스카이트 산화물과 성장기판 사이의 전하이동을 유도하여 전자구조 최적화를 가능하게 하였다.

이를 통해 전이금속 화합물 표면에 직성장된 페로브스카이트 산화물은 귀금속 기반 촉매뿐만 아니라 페로브스카이트 화합물 기반 촉매 대비 뛰어난 산소 발생 효율을 보여주었다.

3. 기대효과

이차원 소재인 전이금속 칼코겐 화합물을 성장기판으로 도입한 촉매의 직성장 기법은 촉매의 표면 결정구조 뿐만 아니라 전자구조까지 효과적으로 제어하여 촉매의 성능을 향상시킬 수 있었다. 이러한 연구결과는 수전해 촉매에 국한되지 않고 이산화탄소, 질소 환원 촉매와 같은 다양한 촉매 합성에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트 산화물 (perovskite oxide)

페로브스카이트 산화물은 ABO3 (A, B: 양이온, O: 산소)의 페로브스카이트 결정구조를 갖는다. 높은 전기전도도 및 촉매활성으로 금속-공기전지, 산소 발생 촉매 등으로 활용된다.

2. 전이금속칼코겐화합물(transition metal dichalcogenides, TMDs)

전이금속칼코겐화합물은 MX2 화학식으로 나타내며 M은 전이금속원소(주기율표에서 4-6족)이며, X는 칼코겐원소(주기율표에서 16족)이다. 그래핀과 같은 이차원소재로 1-2 eV대의 밴드갭을 가져 전자소자 및 에너지소재로 주목받는 물질이다.

3. 결정 구조(crystal structure)

물질 내에서 원자들 또는 분자들이 갖는 특유의 배열을 뜻하며 결정구조에 따라 표면에 노출되는 원자가 달라지기 때문에 촉매의 성능과 밀접한 관련이 있다.

4. 전자 구조(electronic structure)

핵에 속박된 전자의 에너지 상태를 뜻하며 촉매활성의 본질인 흡착 특성과 밀접한 연관을 보인다.

[붙임] 그림설명

그림1. 페로브스카이트 산화물과 전이금속 칼코겐 화합물에 의해 표면 결정 구조 및 전자 구조가 제어된 페로브스카이트 산화물 모식도.

그림2. 전이금속 칼코겐 화합물을 성장기판으로 활용한 페로브스카이트 산화물 직성장 모식도.

그림3. 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물의 결정 구조 및 전자 구조 분석.

(a) 페로브스카이트 산화물과 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물의 HR-TEM 이미지와 해당 FFT 이미지. 전이금속 칼코겐 화합물 성장기판 도입을 통해 촉매 표면의 결정 구조가 변화하였음을 알 수 있음. (b) 이론적 계산을 통한 전자 밀도 분석, (c) 페로브스카이트 산화물과 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물의 XPS 분석 결과. 이를 통해 페로브스카이트 산화물의 전자 구조가 변화였음을 확인할 수 있음.

그림4. 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물의 전기화학적 산소발생 효율, 안정성 및 페로브스카이트 산화물 기반 촉매와의 촉매 성능 비교도.

(a) 분극곡선, (b) 타펠 기울기, (c) 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물 촉매의 20 mA cm-2에서의 구동안정성 (d) 학계에 보고된 페로브스카이트 산화물 기반 촉매와 전이금속 칼코겐 화합물 위 직성장된 페로브스카이트 산화물 촉매에 대한 산소발생반응 성능 비교.

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