"백금 말고 이황화몰리브덴"…그린수소 생산비 대폭 낮춘다

전기준 인하대 교수·박철민 금오공과대 교수 연구팀
백금과 효율 같고 촉매질량활성수치는 1000배

물을 전기 분해해 수소와 산소를 얻는 수전해 기술은 신재생에너지의 핵심 중 하나다. 하지만 기존 기술에는 전기가 많이 들어가는 데다 값비싼 백금 촉매가 필요해 비용이 높다는 단점이 있다. 국내 연구진이 백금 대신 값싼 이황화몰리브덴을 이용해 비슷한 효율을 낼 수 있는 기술을 개발해 비용을 대폭 낮출 수 있게 됐다.

한국연구재단은 전기준 인하대 교수·박철민 금오공과대 교수 연구팀이 수전해 반응에서 촉매로 많이 활용되는 2차원 소재 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조를 제어할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

수전해 과정에서 반응과 효율 등을 증가시키기 위해 촉매를 사용하는데, 반응성이 가장 높은 귀금속의 경우 값이 비싸 경제성을 보완할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중 우수한 촉매 후보군으로 각광 받는 2차원 소재의 경우, 다층보다 단일 원자층에서 높은 효율을 갖지만 단일층 내에서도 구조적으로 다른 2개 상(Phase)에 따라 성능 차이를 보인다. 고품질의 균일한 단일층을 합성하면서도 존재하는 2개의 구조가 다른 상을 제어하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 화학기상증착법(CVD)을 통해 균일한 단일 원자층의 이황화몰리브덴을 제작, 여기에 극미량(1% 미만)의 팔라듐 금속을 삽입해 원자층에 존재하는 2개의 상을 조절하는 데 성공했다. CVD란 재료의 휘발된 성분들이 서로 다른 성분 가스들과 화학적 반응을 일으켜 기판 위에 비휘발성의 고체박막으로 형성되는 박막형성법의 일종이다.

합성된 이황화몰리브덴은 기존 합성연구의 결과와 비교해 높은 순도 및 수전해 효율을 보였다. 구조적 상변이 비율을 최대 86%까지 제어하였으며, 이는 세계 최고 기술 수준을 달성한 수치이다. 이를 확인하기 위한 지표로서 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 통해 구조적 상변이를 확인할 수 있는 새로운 기준을 제시했다는 점에서도 의미가 있다. 라만분광기는 분자에 레이저를 쏘아 전자의 에너지 준위 차이를 통해 분자의 종류를 확인하는 장비다. 특히 수소 발생 효율 측면에서 최고 수준의 백금 촉매와 유사한 수치를 보였고, 특히 기존 백금 촉매 대비 1,000배 이상 높은 촉매 질량 활성(Mass activity) 수치를 확인했다.

연구팀은 “수전해 반응 촉매, 반도체, 광소자 및 전자소자 등 다양한 연구 및 산업 방면에서 상의 구조적인 제어를 통해 각 분야에 적합한 정도의 상 비율을 조절할 수 있어 전략적 응용이 가능할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’(Advanced Energy Materials)에 지난 4월25일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr