‘저절로 스며드는 액체금속’, 차세대 수소 촉매 약점 메웠다

전이금속 칼코겐화합물인 이황화몰리브덴이 반도체상(녹색)에서 금속상(흑색)으로 변화한 모습/사진=UNIST

국내 연구진이 액체 알칼리 금속을 이용해 차세대 수소 발생 촉매인 ‘전이금속 칼코겐화합물’의 성능을 개선하는 기술을 개발했다.

울산과학기술원( UNIST) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·곽상규 교수 공동연구팀은 쇳물과 같은 액체 금속을 층간에 삽입하는 방법으로 ‘전이금속 칼코겐화합물’을 금속상으로 바꾸는 합성법을 개발했다고 12일 밝혔다. 여기서 ‘금속상’은 구성 원자들의 배열에 따라 서로 다른 상을 갖고 물리·화학적 성질이 달라진다는 얘기로, 상온에서 자석에 달라붙는 강자성을 갖지만 온도가 특정 온도 이상으로 올라가면 원자 배열이 바뀌어 자석에 달라붙지 않는 ‘철’을 예로 들 수 있다.


전이금속 칼코겐화합물은 텅스텐, 몰리브덴 같은 금속 원소와 황과 같은 칼코겐 원소가 결합한 물질이다. 가격이 저렴하고 내구성이 좋아 백금을 대신 할 물 전기 분해 반응 촉매로 연구되고 있다. 하지만 상온에선 전기전도도가 떨어진다. 촉매 성능이 저하되는 것이다. 이 물질은 하나의 물질 안에 반도체 성질을 갖는 부분과 금속 성질을 갖는 부분이 공존하는데 상온에서 주로 전기전도도가 떨어지는 반도체상으로 존재하기 때문이다. 금속상을 갖도록 합성하는 방법이 있지만 시간이 오래 걸리고 합성된 물질이 다시 반도체상 물질로 돌아가는 한계가 있었다.

액체 알칼리 금속을 이용해 반도체상 전이금속 칼코겐화합물을 금속상으로 변환. 모세관현상을 통해 반도체상(Phase) 전이금속 칼코겐 화합물(이황화몰리브덴, MoS2) 층간으로 삽입된 액체 알칼리 금속(칼륨, K)이 전자를 공급해 물질은 금속상으로 바꾼다/자료=UNIST

연구팀은 액체 알칼리 금속을 전이금속 칼코겐화합물에 삽입하는 방법으로 금속성 칼코겐화합물을 1시간 만에 합성하는데 성공했다. 기존엔 48시간에서 72시간이 걸리던 작업이었다. 이 때 알칼리 금속은 전이금속 칼코겐 화합물이 금속상으로 바뀌기 위해 필요한 전자를 공급하는 역할을 한다. 가느다란 관 속으로 액체가 저절로 빨려 들어가는 모세관현상을 이용했기 때문에 액체 알카리 금속이 칼코겐 화합물 내부로 잘 전달된다. 이렇게 합성된 전이금속 칼코겐화합물의 경우 전체 화합물에서 금속상이 차지하는 비율이 92%로 높았다.

연구팀은 “기존 합성법의 경우 2~3일에 걸쳐서 금속성 전이금속 칼코겐 화합물을 만드는 데, 이번에 개발된 합성법은 합성 시간도 짧고 간단하다”며 “X선 광전자 분석법 등을 통해 92% 이상의 높은 상 순도를 확인했다”고 말했다. 안정성도 뛰어났다. 고열과 강한 빛에도 금속상이 반도체상으로 바뀌지 않고 유지됐다. 연구팀은 “합성과정에서 알칼리 금속과 칼코겐 물질 간의 결합이 반도체상이 금속상으로 바뀌는데 필요한 에너지 장벽을 낮추고 전자구조를 유지 시켜줬기 때문”이라고 설명했다. 이밖에 새롭게 합성된 칼코겐화합물을 실제 물 전기 분해 시스템에 적용한 결과 100시간 이상의 작동에도 우수한 성능을 나타냈다.

박 교수는 “차세대 수소 발생 촉매로 주목 받고 있는 전이금속 칼코겐화합물의 새로운 합성법을 찾은 것”이라며 “금속상 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 잘 활용해 수소 발생 촉매 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 메터리얼즈’에 게재됐다.