(위에서부터) 응력조절기반 다층 MoTe2 촉매 제조 과정 모식도, 투과 전자현미경 (TEM)으로 촬영한 복합상 경계 (Heterophase boundary) 영역의 이미지 (2H는 반도체상, 1T’은 금속상을 의미), 백금 (Platinum)과 비교한 MoTe2의 전기화학적 안정성 테스트./홍익대

[더팩트 | 박순규 기자] 환경 오염 문제가 심각해지면서 친환경적 에너지 및 생산 방식에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 홍익대학교 연구팀이 최근 초고효율 전기화학적 촉매 설계의 실험적 구현과 이론적 증명을 달성해 이목을 집중시키고 있다.. 특히, 수소 연료는 연소 시 화석연료 이상의 화학적 중량에너지를 이산화탄소의 발생 없이 생산할 수 있어 이상적인 청정 에너지원으로 각광받고 있다.

수소 연료는 그 생산 방식에 따라 그레이 수소와 블루 수소, 그리고 그린 수소로 나누어 진다. 화석 연료를 기반으로 하여 그 부산물로 이산화탄소가 생성된다는 한계점을 갖는 그레이/블루 수소와 달리, 그린 수소는 전기화학적으로 물분자를 산소와 수소로 분해하는 수전해 기술을 활용하기에 수소 에너지 시스템이 지향하는 궁극의 에너지 생산 방식이라 할 수 있다.

이 때, 물의 전기 분해에 필요한 전력을 낮추기 위한 전기화학적 촉매 재료의 개발은 수전해 기술의 양산화를 위한 핵심 기술이라 할 수 있다. 그러나 현재까지도 지구상에 매장량이 적고 가격 경쟁력이 낮은 백금기반 촉매가 그 대부분을 차지하고 있기에 이를 대체할 수 있는 수소발생용 전기화학 촉매 개발에 대한 연구들이 진행되고 있다.

홍익대학교 신소재공학과 이원규 교수팀은 선행 연구로서 이황화 몰리브덴 (MoS2)의 응력 조절에 의해 유도된 재료 내부의 부분적 상전이 (Local phase transformation)와 결함 (Defect) 생성을 통하여, 전기화학적으로 반응성이 낮은 다층 MoS2의 촉매 성능을 백금 수준 이상으로 향상시킬 수 있다는 연구결과를 도출하였으며, 해당 연구성과를 국제학술지 나노 레터스 (Nano Letters)에 표지논문으로 등재한 바 있다.

해당 재료시스템에서는 MoS2의 황 (S) 원자를 일부 제거하는 탈황 (Desulfurization) 공정을 통해 수소 원자의 흡착 반응 사이트 (Active site)를 의도적으로 생성하였으며, 이를 통하여 MoS2의 전기화학적 활성화를 유도하였다. 하지만, 이러한 전기화학적 탈황 공정의 경우 그 부산물로써 유독성의 황화 수소 (H2S) 기체가 생성된다는 또 다른 한계점을 가진다.

(왼쪽 위에서부터) 이원규 홍익대 신소재공학과 교수(교신저자), 송봉근 홍익대 화학공학과 교수(교신저자), 이유진 학생(제1저자), 이수현 학생(제1저자), 한선경 학생(제 1 저자), 박지헌 학생(제 2 저자)./홍익대

이원규 교수 연구팀은 선행 연구의 문제점을 해결하기 위해 이텔루륨화 몰리브덴 (MoTe2)의 응력 조절에 의해 유도된 재료 내부의 부분적 상전이 및 실시간-반응중 활성화 (In-operando activation)를 통하여 MoTe2의 촉매 성능을 백금에 준하는 정도로 향상시키는데 성공했다.

연구팀은 상온, 상압에서 반도체상으로 존재하는 MoTe2 격자내부에 인장응력을 가하면 금속상으로 상전이가 발생할 수 있으며, 금속상 기저면의 텔루륨 (Te) 원자가 그 자체로 수소 흡착 반응 사이트로 작용하여 결함조절이 불필요한 촉매 설계를 가능케 한다는 사실에 집중했다.

해당 연구팀은 또한 순환 전압 전류법에 의한 전하 주입 (Charge injection)을 통하여, MoTe2 기저면 상의 반도체상/금속상의 복합상 경계 (Heterophase boundary) 인접 영역내 수소 흡착을 위한 반응 사이트 (Active site)를 실시간-반응중 (In-operando) 활성화시켰다.

실시간-반응중 활성화 직후 MoTe2의 안정성을 시험한 결과, 연구팀은 응력 변형된 MoTe2가 백금수준의 전기화학적 활성 및 그보다 우수한 안정성을 기록함을 확인하였다. 연구팀은 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy)과 라만 분광법 (Raman spectroscopy)을 통하여, 재료 내부의 부분적 상전이와 복합상 경계의 생성이 다층 MoTe2의 수소 발생 반응 효율을 향상시키는 주요 원인임을 이해할 수 있었다.

이를 이론적으로 이해하기 위하여 홍익대학교 화학공학과의 송봉근 교수 연구팀은 밀도범함수 이론 (Density functional theory)을 통하여, 해당 재료시스템의 전기화학적 반응성과 그 활성 증가를 원자수준에서 계산하는데 성공하였다. 더욱 구체적으로, 해당 연구팀은 복합상 경계에 인접한 Te와 Mo 원자의 수소 흡착 반응성이 격자내 인장응력에 의해 급격하게 증가함을 이론적으로 증명하였으며, (경계면에 인접한) 반도체 상 기저면의 격자 공동 (Hollow site)이 백금 이상의 초고효율 반응 사이트로 기능함을 예측하였다.

나아가 송봉근 교수팀은 이론적으로 발견한 원자 수준의 반응 사이트들이 유도할 수 있는 교환전류밀도를 수학적으로 계산, 이를 통하여 앞서 실험적으로 달성한 초고효율의 전기화학적 촉매 성능을 이론적으로 증명함에 성공하였다. 해당 연구팀의 연구결과는 국제 저명 학술지 ‘ACS Energy Letters’ 온라인 판에 지난달 19일 게재되었다.

해당 연구는 홍익대학교 신소재공학과의 이유진 석사과정과 화학공학과의 이수현 석사과정, 신소재공학과의 한선경 석사과정이 공동 제1저자로서, 신소재공학과의 박지헌 석사과정이 제2저자로서 수행했다. 이번 연구는 홍익대학교의 학술연구진흥비 및 한국연구재단의 우수신진연구 사업의 지원을 받아 수행됐다.

skp2002@tf.co.kr