韓·英 연구팀, 수소 대량생산 가능한 신촉매 개발

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新 전이금속 ‘금속성 이황화나이오븀’ 합성…전류밀도 높여

장수홍 기자 기자페이지 + 입력 2019-09-15 12:18:03

양국의 공동개발팀이 차세대 청정에너지원으로 꼽히는 수소 대량 생산 촉매 개발을 성공해 향후 수소의 대량 상용화가 가능해질 전망이다.

15일 울산과학기술원(UNIST)은 정후영·신현석 교수팀이 영국 캠브리지 대학 매니쉬 초왈라(Manish Chhowalla) 교수팀과 공동으로 수소를 대량으로 생산할 수 있는 촉매인 '금속성 이황화나이오븀'을 개발했다고 밝혔다.

그간 수소는 차세대 청정에너지원으로 꼽혀왔지만 수소생산에 필요한 백금 등 귀금속 촉매가 고가이기 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 이에 따라 백금을 대신할 촉매 개발이 활발히 진행되는 가운데 '전이금속 칼코젠화물'이 대체군으로 꼽히고 있다

전이금속 칼코젠화물은 주기율표상 4, 5, 6족에 자리한 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se) 같은 칼코겐 원소가 결합한 화합물을 의미한다. 이 물질은 주로 반도체 성질을 띠지만 금속 성질을 가지는 가장자리에서는 수소 발생이 가능하다. 그에 따라 금속성 전이금속 칼코젠화물이 차세대 수소 발생 촉매로 각광받고 있다.

하지만 금속성 전이금속 칼코젠화물은 합성이 까다로워 실험적으로 구현된 적이 없었으나, 공동연구팀은 이번 연구를 통해 화학기상증착법(CVD)을 이용해 새로운 구조의 금속성 전이금속 칼코젠화물인 이황화나이오븀(NbS₂)을 합성했다.

전류 밀도가 높을수록 동일한 전압에서 생산되는 수소량이 많아지는데, 이 촉매의 전류 밀도(Current density)는 기존의 이차원 전이금속 칼코젠화물에 비해 100배 이상 높다. 이는 백금 촉매와 비슷한 수준으로 수소를 대량생산 할 수 있어 상용화 가능성이 매우 높은 것으로 드러났다.

이와 함께 연구팀은 단면 주사투과전자현미경 기법을 통해 새로 합성된 촉매의 구조 분석을 통해 이황화나이오븀의 층층이 쌓여진(적층형) 구조에서 잉여원자를 발견했다.

이 잉여 나이오븀 원자는 금속성을 갖도록 촉매를 바꾸어 주는 역할을 한다. 이 물질이 금속성을 갖게 될수록 수소가 촉매 표면에 반응을 위해서 달라붙기 위해 필요한 '흡착 에너지'가 낮아진다. 이 흡착 에너지가 낮을수록 수소 원자가 촉매 표면에 잘 달라붙어 수소생성 반응이 활발해져 더욱 좋은 촉매가 된다.

정후영 울산과학기술원 교수는 "과거 문헌으로만 알려지고 증명하지 못했던 잉여 나이오븀을 지닌 이황화나이오븀(Nb1+XS2)의 구조를 주사투과전자현미경으로 최초 확인한 연구다"며 "다른 적층형 물질에 응용할 경우 새로운 촉매구조를 설계하는 데 도움이 될 것이다“고 전했다.

[장수홍 기자 / 행동이 빠른 신문 ⓒ스카이데일리]

장수홍 기자 shjang@skyedaily.com 기자페이지 +