[세종=뉴스핌] 이태성 기자 = 귀금속 수전해 촉매 대체재인 전이금속 칼코겐 화합물의 촉매 효율을 크게 향상시킬 수 있는 합성법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

박혜성 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 교수, 한영규 동국대 융합에너지신소재공학과 교수, 백정민 성균관대 신소재공학부 교수 공동연구팀은 고농도의 바나듐 원자가 도핑된 몰리브덴 이황화물 박막 합성법을 개발했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 전기 전도도를 변화시키기 위해 첨가되는 도펀트 원자의 배열 제어를 통해 전이금속 칼코겐 화합물 기반 수전해 촉매의 성능을 획기적으로 향상시켰다고 전했다.

바나듐 원자가 도핑된 몰리브덴 이황화물 박막의 제조법과 원자 배열 확인. [자료=울산과학기술원(UNIST)] 2023.06.05 victory@newspim.com

수전해 기술은 전기 에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 분리해내는 기술로 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있지만 설비 제작 단가가 비싸 널리 활용되지 못하는 문제가 있다.

이에 연구팀은 전이금속 전구체의 반응성 향상을 위해 알칼리 금속 할로겐화물을 반응 촉진제로 도입했다.

전이금속 칼고겐의 한 종류로 전기 화학 촉매를 포함한 다양한 분야에 응용되고 있는 몰리브덴 이황화물의 박막 내에 바나듐 원자를 고농도로 치환하는데 성공했다.

연구팀은 도핑 농도가 증가함에 따라 2개 또는 3개의 바나듐 원자가 뭉쳐진 형태로 존재함을 밝혀냈다. 범밀도함수 이론을 활용해 해당 위치에서 수소 흡착 반응을 위해 필요한 에너지가 크게 감소함을 확인했다.

또한 제작된 고농도의 바나듐이 치환된 몰리브덴 이황화물 박막은 100mV 과전압에서 타펠 기울기 36 mV dec−1 값을 보이는 등 현재까지 보고된 헤테로원자 도핑 기반 이차원 전이금속 칼코겐 화합물 전기 촉매 대비 현저히 향상된 수소 발생 효율을 보여줬다.

왼쪽부터 제1저자 서지형 연구원, 제1저자 손은빈 연구원, 제1저자 김웅수 연구원. [사진=울산과학기술원(UNIST)] 2023.06.05 victory@newspim.com

제1저자인 손은빈 신소재공학과 석박사통합과정 연구원은 "반응 촉진제의 도입을 통해 치환되는 바나듐 원자의 배열을 제어할 수 있었다"며 "바나듐 원자 클러스터가 촉매의 효율 향상을 위한 핵심 사이트로 작용하여 높은 효율의 촉매를 개발할 수 있었다"고 밝혔다.

박혜성 신소재공학과 교수는 "고농도 헤테로원자 도핑 공정을 활용한 전이금속 칼코겐 화합물 제작을 통해 촉매의 효율과 직결되는 표면 기저면 활성화 및 전기 전도도를 효과적으로 제어할 수 있었다"며 "해당 접근법은 이차원 소재 기반 촉매 개발뿐 아니라 다양한 응용 분야에 활용이 가능하다는 점에 있어 학문적 의의가 크다"고 설명했다.

한편 이번 연구는 국제학술지 ACS 나노(ACS Nano) 5월 15일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단의 '기초연구실지원사업'의 지원으로 이뤄졌다.

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