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셀레늄 원자 '빈자리 결함' 조절해 수소 생산성 높인다


UNIST 연구진, 전이금속 기반 수전해 촉매 효율 향상

[아이뉴스24 최상국 기자] 수전해용 촉매의 결정 구조에 인위적인 결함을 발생시켜 수소 생산 성능을 높이는 방법이 개발됐다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀은 2차원 소재 합성시 흔히 사용되는 화학기상증착법(CVD)으로 전이금속 칼코겐 화합물의 일종인 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)을 합성할 때 아르곤과 수소의 비율을 조절함으로써 셀레늄 원자의 빈자리 결함을 조절할 수 있으며 이를 통해 수소발생을 촉진시키는 원리를 발견했다.

[연구진 사진] 좌측부터 이정현, 최근수, 김창민 연구원 [UNIST]
[연구진 사진] 좌측부터 이정현, 최근수, 김창민 연구원 [UNIST]

빈자리 결함(Vacancy Defect)이란 결정 구조상 원자가 있어야 할 자리가 비어 있는 결함을 말한다. 빈자리 결함을 인위적으로 만드는 이유는 수소생성반응을 높이기 위해서다. 빈자리 결함을 가진 물질을 촉매로 쓰면 화학반응을 촉진할 수 있다.

기존에는 전이금속 촉매를 합성한 뒤 별도의 공정으로 빈자리 결함을 만들어 냈으나 이번에는 촉매 합성 공정에서 빈자리 결함도 동시에 만들어 낸 것이다.

아르곤과 수소 기체를 이용한 박막증착 방법을 통해 MoSe₂를 합성할 때 아르곤대비 수소 기체 비율을 50%로 했을 때 불순물의 농도는 낮으면서 셀레늄 빈자리 결함은 높게 만들 수 있었다.

MoSe₂ 합성원리와 빈자리 결함에 따른 화학적 성분 분석: MoO₃, Se 분말을 전구체로, 아르곤과 수소를 이용한 박막증착 방법을 통해 MoSe₂를 합성한다. 아르곤 대비 수소 기체 비율을 50%로 했을 때 불순물의 농도는 낮게, 셀레늄 빈자리 결함은 높게 만들 수 있다. [UNIST]
MoSe₂ 합성원리와 빈자리 결함에 따른 화학적 성분 분석: MoO₃, Se 분말을 전구체로, 아르곤과 수소를 이용한 박막증착 방법을 통해 MoSe₂를 합성한다. 아르곤 대비 수소 기체 비율을 50%로 했을 때 불순물의 농도는 낮게, 셀레늄 빈자리 결함은 높게 만들 수 있다. [UNIST]

연구팀은 이 방법으로 합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과, 수소발생반응의 중요한 지표 중 하나인 타펠 기울기가 전이금속 기반 촉매로는 최저값(낮을 수록 좋음)을 기록, 백금 촉매에 가깝게 나타났다고 밝혔다.

연구팀은 또한 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 촉매의 효율을 높이는 원리도 규명했다. 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석한 결과 셀레늄 빈자리 결함이 연속적으로 존재하는 것을 확인했으며 이러한 연속적인 빈자리 결함이 수소 발생에 필요한 ‘수소 흡착 에너지’와 ‘수소 확산 장벽’을 크게 줄이는 것을 발견했다.

물에 존재하는 수소 이온(H+)이 수소 기체(H₂)가 되려면, 수소 이온이 촉매에 붙는 ‘흡착’이 잘 이뤄지고, 흡착된 수소 원자가 다른 원자를 사이를 잘 이동하는 ‘확산’이 활성화돼야 하는데, 이를 모두 연속된 셀레늄 원자의 빈자리가 활성화해 준 것이다.

박혜성 교수는 “이번 연구는 이차원(2D) 물질의 합성뿐 아니라 수소 발생 촉매의 발전에 있어서도 중요한 연구”라며 “빈자리 결함을 제어해 새로운 2D 물질을 만들어내고, 귀금속 촉매를 대체할 전이금속 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 저명한 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 7월 5일자로 게재됐다. (논문명: In-situ coalesced vacancies on MoSe₂ mimicking noble metal: Unprecedented Tafel reaction in hydrogen evolution)

최상국 기자 skchoi@inews24.com






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