정형모 성균관대 기계공학부 교수 연구팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발
정형모 성균관대 기계공학부 교수 연구팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발
  • 복현명
  • 승인 2024.05.02 11:22
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정형모(왼쪽) 성균관대학교 기계공학부 교수, 이지훈 경북대 교수, 김문경 성균곤대 박사후연구원. 사진=성균관대
정형모(왼쪽) 성균관대학교 기계공학부 교수, 이지훈 경북대 교수, 김문경 성균관대 박사후연구원. 사진=성균관대

[스마트경제=복현명 기자] 정형모 성균관대학교 기계공학부 교수 연구팀이 이지훈 경북대학교 신소재공학과 교수, Shyam Kattel 교수 플로리다 A&M 대학교 물리학과 연구팀과의 공동 연구를 통해 소재의 상, 결함 동시 제어 전기화학적 양이온 주입법을 통한 고성능 비귀금속 수소 생산 전기화학 촉매를 개발했다.

전기화학적 수소 생산 기술은 전기화학 촉매를 이용해 고밀도의 에너지를 가지고 있는 차세대 에너지원인 수소를 온실가스 배출 없이 생산할 수 있는 기술로 에너지, 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 미래 기술로 주목받고 있지만 전기화학적 수소 생산 촉매의 낮은 활성도, 수명 등 촉매 소재 성능의 한계와 한정적인 환경으로 인해 백금과 같은 귀금속 촉매 소재의 활용으로 제한돼 실질적인 적용과 활용이 어려운 실정이다.

정형모 성균관대 교수가 주도한 공동연구팀은 소재의 상, 결함을 동시에 제어할 수 있는 전기화학적 양이온 주입법을 고안했다. 

전기화학적 양이온 주입법은 기저면(Basal plane)의 화학적 안정성으로 인해 전체적으로 촉매 활성에 한계를 보이는 2차원 층상 구조에 매우 유효한 것으로 밝혀졌다. 

연구팀은 이황화몰리브데넘(MoS2)에 해당 방법을 적용해 기저면에 외인성 공공결함 형성을 통해 촉매 활성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 반도체성 2H 상을 금속성 1T 상으로 상전이를 함으로써 에너지 효율적인 수전해 공정이 가능함을 체계적으로 밝힐 수 있었다. 

뿐만 아니라 이 방법은 소재 자체의 내인성 외인성 성능향상 요소를 동시에 이끌어내기 때문에 물분해 pH 상황에 상관없이 높은 수소발생 효율을 가지는 촉매를 개발할 수 있어서 기존 수전해 상용화에 큰 걸림돌인 수전해 환경을 대폭 완화했다.

전기화학적 양이온 주입법의 양이온 주입량을 반응 전위차를 통해 정밀하고 연속적으로 제어해 MoS2 격자 내 양이온 삽입에 의한 상전이, MoS2와 주입된 양이온 간 전환반응에 의해 결함이 형성되는 것을 확인했으며 따라서 공공 결함을 갖는 1T 상의 MoS2 촉매 소재 합성에 성공했다.

공공 결함을 갖는 1T 상, 결함을 가지는 MoS2 수소 생산 촉매 소재는 다양한 pH 전해질 조건에서 높은 수소 생산 활성도와 낮은 과전압(η10= 144, 212, 184 mV, 각각 pH= 0, 7, 14)을 보였으며 100시간 동안 안정적으로 활성도가 유지돼 넓은 pH 범위에서 우수한 수소 생산 활성도, 안정성을 갖는 전기화학적 수소 생산 촉매 소재를 개발했다.(η10: 10 mA cm-2의 전류밀도를 얻기 위해 필요로 하는 과전압)

또한 포항 가속기 연구소에서 수행한 실시간 X-선 흡수 미세구조 분석(X-ray Absorption Fine Structure), 밀도범함수 이론(Density Functional Theory) 계산을 통해 MoS2 수소 생산 촉매 소재가 1T 상 및 공공 결함을 가질 때 수소 흡착 반응, 물 해리 반응을 용이하게 해 높은 수소 생산 활성도를 얻을 수 있음을 규명했다.

정형모 성균관대 기계공학부 교수는 “기존의 소재 제어법으로는 상과 결함을 동시 제어할 수 없는 한계가 있었으나 본 연구의 접근법은 복합적인 제어 요소를 촉매 소재에 동시 적용해 숨겨진 소재의 특성을 발현하는 방법을 새롭게 제시한다. 이러한 접근법은 고성능 그린 수소 생산 소재 설계뿐만 아니라 향후 에너지 소재 설계 전반에 적용할 수 있기 때문에 파급력이 큰 연구로 확장할 수 있을 것이라 기대된다”라고 말했다.

본 연구는 한국연구재단의 원천기술개발사업 미래기술연구실 과제(NRF-2022M3H4A1A04098822)와 우수신진연구 과제(NRF-2022R1C1C1004171)의 지원으로 수행됐으며 환경·에너지 분야 국제학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy(IF: 22.1, JCR 0.9%)에 4월 3일 온라인 게재됐고 9월 5일 출판 예정이다.

 

 

복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr


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