차세대 청정 에너지원인 수소를 대량 생산할 수 있는 촉매를 국내외 대학 연구진이 공동 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 정후영(사진)·신현석 교수팀은 영국 케임브리지대학 매니시 초왈라(Manish Chhowalla) 교수팀과 함께 새로운 수소 생산 촉매(금속성 이황화나이오븀)를 개발하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
이 촉매는 값비싼 백금을 대신할 ‘전이금속 칼코젠화물’을 실험적으로 구현해 낸 것이 특징이다. 공동연구팀은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 새로운 구조의 금속성 전이금속 칼코젠화물, 이황화나이오븀(NbS)을 합성했다. 이 촉매 전류 밀도(Current density)는 기존 이차원 전이금속 칼코젠화물에 비해 100배 이상 높았다. 전류 밀도가 높을수록 동일한 전압에서 생산되는 수소량이 많아지므로, 수소 발생 촉매로서 가능성을 보여준 것이다.
울산과기원 연구팀은 “실제로 수소를 만드는 전해조의 음극에 이황산화나이오븀을 적용하자, 1㎠ 면적에 1시간당 30ℓ의 수소를 방출했다”며 “이 정도는 상용화된 백금 촉매와 비슷한 수준으로 대량으로 수소를 생산하면서 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있다는 점에서 상용화 가능성이 아주 높을 것”이라고 기대했다.
연구팀은 또 단면 주사투과전자현미경 기법을 통해 합성된 촉매의 결정 구조를 분석했다. 이번에 합성한 이황화나이오븀은 한 층이 아니라 여러 층이 쌓인 구조(적층형)다. 연구팀 관측 결과, 적층형 이황화나이오븀 층간에는 추가적인 나이오븀 원자가 존재했다. 특히 나이오븀이 촉매 표면에 자리할수록 촉매 성능이 우수해졌다.
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 분야 학술지인 ‘네이처 머티리얼즈’(Nature Materials) 8월 27일 자로 공개됐다. 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업 지원을 받았다.방종근 기자 jgbang@kookje.co.kr
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| 수소를 대량 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발한 울산과학기술원 정후영 교수. 울산과학기술원 제공
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