UNIST-英 캠브리지대 연구진, 백금 대체할 수소 생산 물질 개발
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UNIST-英 캠브리지대 연구진, 백금 대체할 수소 생산 물질 개발
  • 김태우
  • 승인 2019.09.15 16:25
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합성된 촉매의 전기화학적 안정성 및 실제 전해조 테스트
합성된 촉매의 전기화학적 안정성 및 실제 전해조 테스트. UNIST 제공

차세대 청정에너지원인 수소를 대량으로 생산할 수 있는 새로운 촉매가 개발됐다. 물질 구조 속에서 남아도는 원자들이 수소 생산량을 높이는 핵심이라는 사실도 함께 밝혀졌다.

울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)은 정후영·신현석 교수팀이 영국 캠브리지 대학 매니쉬 초왈라 교수팀과 공동으로 수소를 대량으로 생산할 수 있는 촉매 '금속성 이황화나이오븀'을 개발했다고 15일 밝혔다. 새로운 촉매는 결정구조 내 '잉여 원자'가 전기전도성을 바꿔 기존 촉매보다 수소 생산량을 월등히 높인다.

제1저자로 참여한 UNIST 출신 양지은 박사는 "실제 수소를 만드는 전해조의 음극에 이황산화나이오븀을 적용하자, 1㎠ 면적에 1시간당 30ℓ의 수소를 방출했다"며 "이 정도는 상용화된 백금 촉매와 비슷한 수준으로 대량으로 수소를 생산하면서 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있다는 점에서 상용화 가능성이 아주 높을 것"이라고 기대했다.

공동연구팀은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 새로운 구조의 금속성 전이금속 칼코젠화물, 이황화나이오븀(NbS₂)을 합성했다. 이 촉매의 전류 밀도(Current density)는 기존의 이차원 전이금속 칼코젠화물에 비해 100배 이상 높았다. 전류 밀도가 높을수록 동일한 전압에서 생산되는 수소량이 많아지므로, 수소 발생 촉매로서 가능성을 보여준 것이다.

정후영 UNIST 연구지원본부 교수와 양지은 연구원. UNIST 제공
정후영 UNIST 연구지원본부 교수와 양지은 연구원. UNIST 제공

또 연구팀은 단면 주사투과전자현미경 기법을 통해, 합성된 촉매의 결정 구조를 분석했다. 이번에 합성한 이황화나이오븀은 한 층이 아니라 여러 층이 쌓인 구조(적층형)다. 연구팀의 관측 결과, 적층형 이황화나이오븀 층간에는 추가적인 나이오븀 원자가 존재했다. 특히 나이오븀이 촉매 표면에 자리할수록 촉매 성능이 우수해졌다.

공동교신저자로 참여한 정후영 교수는 "촉매의 금속성이 향상되면 수소 흡착 에너지가 작아진다"며 "흡착 에너지가 작을수록 수소 원자가 촉매 표면에 잘 달라붙어 수소 생성 반응이 활발해지므로 더 좋은 촉매가 된다"고 설명했다. 그는 이어 "과거 문헌으로만 알려지고 증명하지 못했던 잉여 나이오븀을 지닌 이황화나이오븀(Nb1+XS2)의 구조를 주사투과전자현미경으로 최초 확인한 연구"라며 "다른 적층형 물질에 응용할 경우 새로운 촉매구조를 설계하는 데 도움이 될 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구는 재료 분야에서 세계적인 권위를 인정받는 학술지인 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 8월 27일자로 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단 미래소재디스커버리사업 지원으로 이뤄졌다.

김태우
김태우
marketnews2019@gmail.com
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