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왼쪽부터 성균관대 정형모 교수, 경북대 이지훈 교수, 성균관대 김문경 박사후연구원. |
[대학저널 이선용 기자] 성균관대학교 기계공학부 정형모 교수 연구팀이 경북대학교 신소재공학과 이지훈 교수, 플로리다 A&M 대학교 물리학과 Shyam Kattel 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 소재의 상 및 결함 동시 제어 전기화학적 양이온 주입법을 통한 고성능 비귀금속 수소 생산 전기화학 촉매를 개발했다.
전기화학적 수소 생산 기술은 전기화학 촉매를 이용하여 고밀도의 에너지를 가지고 있는 차세대 에너지원인 수소를 온실가스 배출 없이 생산할 수 있는 기술로 에너지 및 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 미래 기술로 주목받고 있지만, 전기화학적 수소 생산 촉매의 낮은 활성도 및 수명 등 촉매 소재 성능의 한계와 한정적인 환경으로 인해, 백금과 같은 귀금속 촉매 소재의 활용으로 제한되어 실질적인 적용과 활용이 어려운 실정이다.
성균관대 정형모 교수가 주도한 공동연구팀은 소재의 상 및 결함을 동시에 제어할 수 있는 전기화학적 양이온 주입법을 고안했다. 전기화학적 양이온 주입법은 기저면(Basal plane)의 화학적 안정성으로 인해 전체적으로 촉매 활성에 한계를 보이는 2차원 층상 구조에 매우 유효한 것으로 밝혀졌다.
연구팀은 이황화몰리브데넘(MoS2)에 해당 방법을 적용하여 기저면에 외인성 공공결함 형성을 통해 촉매 활성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 반도체성 2H 상을 금속성 1T 상으로 상전이를 함으로써 에너지 효율적인 수전해 공정이 가능함을 체계적으로 밝힐 수 있었다. 뿐만 아니라 이 방법은 소재 자체의 내인성 외인성 성능향상 요소를 동시에 이끌어내기 때문에 물분해 pH 상황에 상관없이 높은 수소발생 효율을 가지는 촉매를 개발할 수 있어서, 기존 수전해 상용화에 큰 걸림돌인 수전해 환경을 대폭 완화하였다.
전기화학적 양이온 주입법의 양이온 주입량을 반응 전위차를 통해 정밀하고 연속적으로 제어하여 MoS2 격자 내 양이온 삽입에 의한 상전이 및 MoS2와 주입된 양이온 간 전환반응에 의해 결함이 형성되는 것을 확인하였으며, 따라서 공공 결함을 갖는 1T 상의 MoS2 촉매 소재 합성에 성공했다.
성균관대 정형모 교수는 “기존의 소재 제어법으로는 상과 결함을 동시 제어할 수 없는 한계가 있었으나, 본 연구의 접근법은 복합적인 제어 요소를 촉매 소재에 동시 적용하여 숨겨진 소재의 특성을 발현하는 방법을 새롭게 제시한다”며 “이러한 접근법은 고성능 그린 수소 생산 소재 설계뿐만 아니라, 향후 에너지 소재 설계 전반에 적용할 수 있기 때문에 파급력이 큰 연구로 확장할 수 있을 것이라 기대된다”고 설명했다.
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