현존 최고 성능의 수소 발생용 촉매개발 달성 논문, '나노 레터스 (Nano Letters)'에 게재
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| 홍익대 이원규 교수 연구팀이 발표한 논문의 다층 MoS2 기반 촉매 제조 과정 모식도. |
[더팩트 | 박순규 기자] 홍익대학교 신소재공학과 이원규-이동욱 교수팀의 수소 발생용 촉매개발에 대한 연구 성과를 담은 논문이 나노과학기술 분야 세계 최고의 전통과 권위를 가진 국제 학술지인 나노 레터스 (Nano Letters)에 최근 등재됐다. 나노 레터스는 미국 화학회 (American Chemical Society, ACS)에서 발행하는 학술지로 나노과학기술분야를 대표하는 저널이며 동시에 가장 오래된 저널 중 하나이다.
수전해 촉매는 물의 전기분해를 통한 친환경적 수소 생산을 위해 반드시 필요한 핵심 재료로 이론적/실험적 성능이 가장 우수한 백금이 널리 사용되고 있다. 하지만, 백금의 희소성 및 매우 비싼 가격은 수전해를 통한 수소의 대량 생산을 제한하고 있으며, 이는 수전해용 수소발생 촉매를 연구하는 과학자와 공학자들이 반드시 극복해야 할 기술적 난관으로 남아있었다.
이원규 교수팀은 몰리브덴 이황화물 (MoS2)의 응력 조절에 의해 유도된 재료내부의 부분적 상전이 (local phase transformation) 및 결함 조절 (defect engineering)을 통하여 MoS2의 촉매성능을 백금 이상으로 끌어올리는데 성공했다. MoS2는 전이 금속 칼코겐 화합물에 속하는 물질로서 그래핀과 함께 2차원 반도체 재료의 활성층으로 널리 사용되고 있으며, 특히, 단층 (single layer) MoS2의 경우 백금 수준의 촉매효율을 달성할 수 있을 것이라 이론적으로 예측되어 왔다. 그러나 단층 MoS2 합성을 위한 화학 기상 증착 (Chemical vapor deposition), 복잡한 화학적 합성 및 습식 후처리 공정은 해당 촉매재료의 대면적 생산 및 상용화를 가로막는 근본요인이다.
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| 나노과학기술 분야 세계 최고의 전통과 권위를 가진 국제 학술지인 나노 레터스 (Nano Letters)에 논문을 등재한 홍익대 연구팀. 사진 왼쪽부터 이원규 교수 (교신저자), 이동욱 교수 (공동교신저자), 유도현 학생 (제1저자), 이유진 (공동 제1저자). |
연구팀은 이를 극복하기 위해 기계적 박리 및 건식 공정만을 통하여 폴리스타이렌 (PS) 고분자 기판을 바탕으로 한 수전해용 작업전극상에 다층 (multilayer) MoS2를 전사하였다. 연구팀은 고분자 기판상에 마이크로 주름구조를 형성함으로써 재료 내부에 인장응력 (tensile stress)을 유도, 반도체상에서 금속상으로의 부분적 상전이를 다층 MoS2에서 발생시켰다. 또한 순환전압전류법 (cyclic voltammetry)에 의한 탈황 (desulfurization)공정을 통하여, 상전이 된 MoS2내 수소 흡착을 위한 반응 사이트 (active site)를 3차원 적으로 형성하였다. 연구팀은 라만 분광법과 X선 광전자 분광법을 통하여, 재료내부에서의 상전이 및 탈황 공정의 시너지 효과가 다층 MoS2 상에서 백금 이상의 수전해 촉매효율을 얻는 근본 메커니즘임을 규명했다.
이원규 교수는 "해당 연구결과는 전기화학적으로 그 활용도가 낮은 다층 MoS2를 백금 이상의 수전해 촉매로서 역으로 제안 (repurpose) 하였다는 데에서 그 의미가 크다. 또한 복잡한 진공 장비 및 화학적 합성법 없이, 백금보다 월등한 안정성 (stability)의 수전해 촉매를 개발하였다는 것에 의미를 둔다"라고 소감을 밝혔다.
해당 연구는 홍익대학교 신소재공학과의 유도현 학부연구생과 이유진 석사과정이 공동 1저자로서 수행했다. 특히 유도현 학생은 학부 1학년부터 이원규 교수팀에 합류, 연구를 진행하여 학부생으로는 이례적으로 세계적 권위의 국제학술지에 논문을 등재하는 쾌거를 이룩했다. 향후 이원규 교수팀은 실시간 라만 분석법과 오페란도 (operando) 투과전자현미경 분석법을 통하여 초고효율의 수전해를 가능케 하는 다층 MoS2내부 구조를 원자 스케일 (atomic scale)에서 관찰할 예정이며, 이를 밀도범함수 이론 (Density functional theory)등과 연동하여 일반적 모델을 확립할 계획이다.
이번연구는 한국연구재단의 기본연구 및 우수신진연구 사업의 지원을 받아 수행됐다.