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(울산= 김용태 기자 = 울산과학기술원(UNIST)은 귀금속 수전해 촉매 대체재로 주목받고 있는 전이금속 칼코겐 화합물 소재의 촉매 효율을 크게 높일 수 있는 합성법을 개발했다고 5일 밝혔다.

UNIST에 따르면 신소재공학과 박혜성 교수와 동국대 융합에너지신소재공학과 한영규 교수, 성균관대 신소재공학부 백정민 교수 공동연구팀은 고농도 바나듐 원자가 도핑된 몰리브덴 이황화물 박막 합성법을 개발했다.

공동연구팀은 전기 전도도 변화를 위해 첨가하는 도펀트 원자의 배열을 제어해 전이금속 칼코겐 화합물 기반 수전해 촉매 성능을 획기적으로 높였다.

수전해 기술은 전기 에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 분리해내는 기술로, 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있다.

그러나 수전해 반응 효율이 높은 촉매가 값비싼 귀금속 기반 소재라는 점이 설비 제작 단가를 높여 산업적으로 널리 활용하기는 어려웠다.

전이금속 칼코겐 화합물은 귀금속 촉매를 대체하기엔 성능이 낮다는 한계가 있었다.

또 기저면의 낮은 화학 반응성이 전기 촉매가 반응하는 부위를 제한하고, 낮은 전기 전도성이 전기 분해 중 전자 전달 과정을 방해하는 단점도 있다.

연구팀은 전이금속 전구체의 낮은 화학적 반응성 향상을 위해 알칼리 금속 할로겐화물을 반응 촉진제로 도입했다.

이를 통해 전이금속 칼코겐의 한 종류로 전기 화학 촉매를 포함한 다양한 분야에서 응용되고 있는 몰리브덴 이황화물의 박막 안에 바나듐 원자를 고농도로 치환하는 데 성공했다.

왼쪽부터 제1저자 서지형 연구원, 제1저자 손은빈 연구원, 제1저자 김웅수 연구원. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀이 제작한 고농도 바나듐이 치환된 몰리브덴 이황화물 박막은 현재까지 보고된 전이금속 칼코겐 화합물 전기 촉매와 비교했을 때 현저히 향상된 수소 발행 효율을 보여줬다.

제1저자인 손은빈 신소재공학과 석박사통합과정 연구원은 "반응 촉진제의 도입을 통해 치환되는 바나듐 원자 배열을 제어했다"며 "바나듐 원자 클러스터가 촉매의 효율 향상을 위한 핵심 사이트로 작용해 높은 효율의 촉매를 개발할 수 있었다"고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano) 5월 15일 자에 온라인으로 공개됐다.

연구는 한국연구재단 기초연구실지원사업의 지원으로 이뤄졌다.