수소는 화석 연료를 대체할 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있습니다. 물의 전기분해를 활용한 수소발생반응(hydrogen evolution, reaction)은 수소 생산에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 수소 발생 반응의 촉매로는 귀금속인 백금이 있는데요. 높은 가격과 낮은 촉매 안정성 때문에 산업화에 사용되기에는 어렵다는 한계가 있습니다.
이를 대체하기 위해 전이금속을 기반으로 수많은 촉매가 개발되고 있다고 합니다. 특히 전이금속 디칼코게나이드(TMDs, Transition Metal Dichalcogenides)는 현재 가장 주목받는 비귀금속기반 이차원 물질이죠. 그러나 TMDs는 기저면(basal plane)의 낮은 촉매 활성도로 인해 낮은 수소 발생 반응 성능을 보인다는 단점이 있습니다. 이를 극복하고자, TMDs에 칼코겐 빈자리 결함(chalcogen vacancy)을 도입해 기저면을 활성화하는 연구가 진행됐습니다. 이전 연구는 후처리 공정을 통해서 칼코겐 빈자리 결함(chalcogen vacancy)를 형성한다는 한계가 있었죠.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀이 전이금속 기반 촉매인 '이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)'이 가지는 빈자리 결함(vacancy)을 조절해 수소발생반응이 촉진되는 원리를 밝혀냈다고 합니다. <Nano Energy>에 게재된 논문에 따르면 연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 실시간(in-situ)으로 합성하면서 빈자리 결함을 정교하게 조절했다고 하는데요. 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소 생산 반응에 알맞은 빈자리 결함을 만들어낼 수 있다고 합니다.
어떻게 연구했는가
연구팀은 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 이용해 후처리 공정이 아닌 실시간(in-situ) 합성법으로 TMDs의 한 종류인 MoSe₂의 셀레늄(Se) 빈자리(vacancy)를 형성하는 데 성공했다고 합니다. 여기서 화학기상증착법이란 피복하는 기판상에 원료가스(전구체)를 흘리고, 외부 에너지를 부여함으로써 원료가스를 분해하여 기상(Vaporization)반응으로 박막을 형성하는 기술을 말합니다. 연구팀이 주사전자현미경(STEM, Scanning Transmission Electron Microscopy)으로 분석한 결과, MoSe₂에서는 셀레늄 빈자리(Se vacancy)가 단독이 아니라 '연속적인 형태'로 MoSe₂ 격자에 존재하는 걸 확인했다고 합니다.
연구팀은 또한 합성된 MoSe₂의 수소발생반응 촉매 활성도도 분석했습니다. 촉매 활성도를 결정하는 중요한 요소 중 하나인 타펠 기울기(Tafel slope)는 귀금속 기반 촉매인 백금(Pt/C)과 비슷한 성능을 갖는 것으로 확인했습니다. 타펠 기울기는 전기 화학 반응의 속도를 과전압과 관련시킨 전기 화학 동역학의 속도를 말하며 기울기가 완만할수록 반응이 잘 일어남을 보여주는데요. 이 결과는 전이금속 기반 디칼코이드(TMDs) 단독 물질로는 최고 성능의 타펠 기울기(Tafel slope) 값이라고 합니다.
빈자리 결함(Vacancy)이 도입된 MoSe₂의 우수한 촉매 활성도의 원인을 DFT(Density Functional Theory)를 통해 분석했다고 합니다. DFT는 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나입니다. 연구팀은 빈자리 결함의 형태와 밀도에 따라 수소발생반응에 필요한 에너지 장벽(energy barrier)을 살펴본 것이죠.
연구 결과 연구팀은 STEM 상에서 확인된 연속적인 셀레늄 빈자리(Se vacancy)가 수소발생반응에 필요한 수소 흡착 에너지(hydrogen adsorption energy)와 타펠 반응에 필요한 수소 확산 장벽(hydrogen diffusion barrier)을 낮춰준다는 것을 발견했습니다. 특히 연속적인 셀레늄 빈자리(Se vacancy)가 수소 확산 장벽을 낮춰 백금(Pt) 같은 귀금속 기반 촉매의 타펠 반응을 모방할 수 있다고 합니다.
앞으로의 전망
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 비귀금속(전이금속) 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것"이라며 기대를 밝혔습니다.
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