유니스트 연구진, 수소 대량생산 '新촉매' 개발

수소 대량 생산이 가능한 새로운 촉매를 개발한 정후영 유니스트 교수(왼쪽)과 양지은 박사. /사진제공=유니스트.

한국·영국 연구진이 차세대 에너지원으로 꼽히는 수소를 대량으로 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.


UNIST(유니스트·울산과학기술원) 소속 정후영·신현석 교수팀은 영국 캠브리지대 매니쉬 초왈라 교수팀과 함께 수소를 대량으로 생산할 수 있는 촉매 '금속성 이황화나이오븀'을 개발했다고 15일 밝혔다.

금속성 이황화나이오븀은 결정구조 내 잉여 원자가 전기전도성을 바꿔 기존 촉매보다 수소 생산량을 월등히 높인다.

수소는 무한 재생산이 가능한 차세대 에너지원으로 꼽힌다. 하지만 수소 생산을 위해선 백금 같은 고가 금속을 촉매로 활용하는 게 대중화 한계점으로 꼽힌다. 백금을 대신할 촉매 개발이 활발한 가운데 '전이금속 칼코젠화물'도 주요 후보군으로 꼽힌다.

전이금속 칼코젠화물은 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se) 같은 칼코겐 원소가 결합한 화합물이다. 이 물질은 주로 반도체 성질을 띠지만 금속 성질을 가지는 가장자리에서는 수소가 발생한다. 때문에 금속성 전이금속 칼코젠화물이 차세대 수소 발생 촉매로 각광받는다. 하지만 금속성 전이금속 칼코젠화물은 합성이 까다로워 실험적으로 구현된 적이 없었다.

공동연구팀은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 새로운 구조의 금속성 전이금속 칼코젠화물과 이황화나이오븀을 합성했다. 이 촉매의 전류 밀도는 기존의 이차원 전이금속 칼코젠화물에 비해 100배 이상 높다. 전류 밀도가 높을수록 동일한 전압에서 생산되는 수소량이 많아져 수소 발생 촉매로 가능성을 보여줬다.


제1저자로 참여한 유니스트 출신 양지은 박사는 "실제로 수소를 만드는 전해조의 음극에 이황산화나이오븀을 적용하자, 1㎠ 면적에 1시간당 30리터 수소를 방출했다"며 "이 정도는 상용화된 백금 촉매와 비슷한 수준으로 대량으로 수소를 생산하면서 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있다는 점에서 상용화 가능성이 매우 높다"고 말했다.

연구팀은 또 단면 주사투과전자현미경 기법으로 합성된 촉매의 결정구조를 분석했다. 이번에 합성한 이황화나이오븀은 한 층이 아니라 여러 층이 쌓인 구조다. 연구 결과 적층형 이황화나이오븀 층간에 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.

이번 연구는 재료 분야에서 세계적인 권위를 인정받는 학술지인 '네이처 머티리얼즈'에 지난달 27일 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단 미래소재디스커버리사업 지원으로 이뤄졌다.