[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 한국과학기술연구원(KIST) 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장과 건국대 미래에너지공학과 조한익 교수 공동연구팀은 값 비싼 백금계 소재가 아니면서도 수소 흡착성능이 뛰어나고 값싼 ‘황화 몰리브데늄(MoS3)’과 탄소나노튜브를 이용, 수소를 고효율로 생산하는 촉매를 제조하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

수소생산을 위해서는 주로 물을 전기분해해 사용한다. 하지만 백금 등의 귀금속을 촉매로 사용하고 있어 경제적으로 사용할 수 있는 촉매를 개발할 필요가 있다.

KIST 연구진은 비정질 황화 몰리브데늄에 중점을 두고 촉매 개발 연구를 진행했다. 이 물질은 황과 몰리브데늄이 결합된 무기화합물로서 수소를 흡착하는 능력이 우수하다. 이 성질을 갖는 황화 몰리브데늄을 촉매로 사용하면 물을 전기분해하여 친환경적이고 고효율로 수소를 생산할 수 있다. 또 원가가 매우 저렴해 차세대 수소생산 촉매로 주목받고 있다.

비정질 황화 몰리브데늄의 성장 원리와 특정 결합의 함량에 따른 수소생산 촉매 특성을 전류 밀도로 나타낸 그래프. 가교화된 황(Bridging S)의 비율이 증가할수록 수소생산 성능 향상이 급격히 일어남을 알 수 있다. 2019.08.27. [자료=KIST]

하지만 황화 몰리브데늄은 전기 전도도가 낮고 촉매로서 잘 활성화하지 않기 때문에 충분한 성능을 보이지 못했다. 성능 향상을 위한 방법으로 황화 몰리브데늄의 크기나 형태를 조절하는 연구가 집중적으로 진행됐지만 구조가 복잡해 여러 부작용이 발생했다.

KIST 연구진은 황화 몰리브데늄에 간단한 화학적 처리로 특별한 결합구조를 다수 생성한 후, 탄소나노튜브 표면에 도포해 복합재료 촉매를 제조했다. 그 결과, 수소를 생산하는 데 영향을 미치는 ‘강하게 결합된 황(가교화된 황, Bridging S)’의 수가 많아져 기존 대비 약 30% 향상된 성능을 보였다.

이성호 센터장은 “기존의 황화 몰리브데늄 촉매의 성능을 획기적으로 개선한 성공사례”라며 “이를 이용한 저비용·고효율, 친환경 수소생산 성능 구현은 수소 자동차와 수소 충전소의 대중화를 앞당기는 중요한 초석이 될 것으로 생각한다”고 말했다.

연구결과(논문명 “Insight into the Superior Activity of Bridging Sulfur-Rich Amorphous Molybdenum Sulfide for Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction”)는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호에 게재됐다. 

kimys@newspim.com