▲ 조성비를 조절한 몰리브덴 바나듐 디셀레나이드의 주사투과전자현미경(HAADF-STEM)

국내 연구진이 수전해과정에서 수소생성 촉매인 전이금속 기반 나노촉매를 이용, 수소에너지를 고효율, 저비용으로 수소에너지를 고효율 저비용으로 생산하는 기술을 개발했다.

고려대학교는 과학기술대 신소재화학과 박정희 교수 연구팀과 전주대 강홍석 교수 연구팀은 공동연구를 통해 이러한 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

지구 온난화와 높은 에너지 수요를 위해 신재생 에너지에 관한 연구가 활발하다. 수소는 사용 시 공해 물질이 배출되지 않고 단위 무게당 가장 많은 에너지를 얻을 수 있는 에너지원으로 특히 주목을 받고 있다.

특히 물을 분해하여 수소를 생산하는 물 전기분해(electrocatalytic water splitting) 방법은 친환경적인 방법으로 수소 대량 생산이 가능하며, 전기에너지를 활용하여 효율적인 수소생산을 가능케 해 전망이 밝은 기술로 평가된다.

물 전기분해 수소 생산기술의 핵심은 수소 발생 반응이며, 이 반응에 활성이 가장 뛰어난 촉매는 백금이다. 그러나 수소의 상용화를 위해서는 값비싼 백금을 대체할 수 있는 저렴하고 우수한 활성을 갖는 촉매 소재 개발이 필수적이다.

연구팀은 촉매소재로 물 전기분해에 뛰어난 활성을 갖는 몰리브덴과 바나듐의 합금인 전이금속 디칼코게나이드 나노소재를 개발했다. 전이금속 디칼코게나이드 합금은 몰리브덴과 텅스텐으로 구성된 소재가 대표적이지만, 둘은 잘 섞이지 않는 단점이 있었다.

이번 연구에서는 콜로이드 용액합성법을 이용하여 몰리브덴과 바나듐의 조성비를 조절한 합금 디칼코게나이드 소재 합성에 성공했다. 조성비 변화에 따른 촉매 활성도를 확인, 단일 금속 보다 훨씬 뛰어난 활성을 확인하였다.

또, 슈퍼컴퓨터의 양자역학적 계산으로 안정된 합금 결정 구조와 뛰어난 물 전기분해 촉매 활성 메커니즘도 설명했다.

기존에도 같은 목적의 기술들이 개발됐지만, 제한된 양의 금속 이용 등 기술적 한계가 있었다. 개발된 기술은 두 종류 이상의 금속 성분을 한 번에 혼합하는 합금 제조법으로, 촉매 뿐만 아니라 여러 가지 소재 개발에도 적용할 수 있다.

아울러 연구팀은 양자역학적 계산을 통해 합금 신소재에 대한 물리적, 화학적 성질을 예측하는 방법도 제시했다.

연구책임자인 박정희 고려대 교수는 “이번 연구 결과는 일반인들의 수소에너지에 필요성 및 재생에너지의 필요성을 인식시킬 수 있게 할 뿐 아니라, 초중고 학생들의 지구 환경 보존 및 신재생 에너지 교육에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 논문은 한국시간 9월 10일에 화학 분야 최우수 학술지인 ‘ACS Nano’ 온라인판에 게재되었다.

▲ 콜로이드 합성법을 이용하여 조성비를 조절한 몰리브덴 바나듐 합금 디칼코게나이드 나노소재의 구조