그린수소 시대 이끌 저비용·고성능 전기촉매 개발
- 맥센-니켈인화물 하이브리드를 통해 현존 촉매 소재 단점 극복 -
□ 국내연구진이 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 전이금속 기반 소재를 활용해 친환경 그린수소 생산이 가능한 전기촉매 소재 합성에 성공했다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김정규, 이준영 교수(성균관대학교) 연구팀이 신혜영 교수(충남대학교)와 협력하여 신규 2차원 소재인 멕센(MXene)* 표면에 니켈인화물(Ni2P) 나노입자를 성장시킨 이종접합 소재를 설계하고, 고활성·고안정성 수소 발생 반응이 가능한 하이브리드 전기촉매를 개발했다고 밝혔다.
* 멕센(Ti3C2Tx, MXene) : 전이금속과 비금속으로 이루어진 2차원 형태의 무기화합물 소재
□ 탄소배출 없는 친환경 그린수소 생산을 위해서는 전기화학적 물 분해반응을 활성화하는 저비용·고성능의 전기촉매 소재 기술이 필요하다.
○ 기존의 수소 발생 반응에는 활성이 우수한 귀금속 기반 촉매가 사용됐지만, 높은 가격이 산업화의 걸림돌로 작용했다. 그 대안으로 전이금속 기반 촉매 개발이 추진되고 있지만, 낮은 촉매 활성과 낮은 안정성이 한계로 지적됐다.
□ 연구팀은 전기 전도도가 높고 전기화학적 안정성이 뛰어난 2차원 물질인 멕센 표면에 의도적인 결함을 일으키고, 그 위에 촉매 소재인 니켈인화물을 이종핵 성장*시키는 방법으로 수소 발생 성능이 우수한 금속인화물-멕센 하이브리드 수전해 촉매 소재를 합성했다.
* 이종핵 성장(Heteronuclei growth) : 서로 다른 두 원소가 일정한 비율로 배열하며 입자를 형성하는 과정
□ 또한, 새로운 촉매 소재가 약 2,000여회 반복 측정과 24시간 연속 구동에도 높은 안정성을 나타냄을 확인했다. 특히 산성과 중성, 알칼리 조건에서 모두 우수한 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 보였다.
○ 또한 시뮬레이션을 통해 니켈인화물 표면의 스트레인(strain)*이 니켈인화물의 결합 길이를 변화시키고, 반응 중간 생성물의 흡착 에너지 변화를 촉진하여 고활성의 수소 발생 반응 촉매 활성을 효과적으로 유도함을 확인했다.
* 스트레인 : 물체가 외부의 힘을 받았을 때 생기는 형태와 부피의 변화
□ 이번 연구 성과는 물을 전기분해하여 탄소배출 없이 그린수소를 생산하는 미래에너지 기술을 제시한 것으로, 멕센의 가공법에 따라 기존 촉매 소재의 단점을 극복한 고활성·고안정성 촉매 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.
○ 연구팀은 전기화학 반응에 활용 가능한 다기능 촉매 소재 개발을 위해 멕센 소재의 조성을 다양하게 탐구하고 표면 작용기를 조절하는 등의 지속적인 연구가 필요하다고 덧붙였다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 및 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 9월 19일 온라인 게재됐으며, 표지논문으로 선정되었다.
