본문으로 바로가기
61382849 0512020071261382849 08 0801001 6.1.14-RELEASE 51 뉴스1 0 false true true false 1594522800000 1594522822000

모세관현상으로 금속을 구석구석 보내니 차세대 촉매 효율 상승

글자크기

물 전기 분해 반응에서 백금촉매 대체할 TMD 효율 높여

뉴스1

모세관현상을 통해 반도체상(Phase) 전이금속 칼코젠 화합물(이황화몰리브덴, MoS2)에 층간으로 삽입된 액체 알칼리 금속(칼륨, K)이 전자를 공급해 금속상으로 바꾼다 (울산과학기술원 제공) 2020.07.12 / 뉴스1

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>


(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 액체 알칼리 금속을 이용해 차세대 수소 발생 촉매 후보 물질 'TMD'의 성능을 개선하는 기술이 개발됐다. 촉매 구조에 액체 금속을 스며들게 하는 새 합성법을 통해 해당 후보 물질의 단점으로 지적돼온 전기전도도를 높일 수 있다.

울산과학기술원(UNIST)가 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·곽상규 교수 공동연구팀이 새로운 방식의 수소 발생 촉매 합성법을 개발해 성능을 높였다고 12일 밝혔다.

이들이 연구 대상으로 삼은 물질은 '전이 금속 칼코젠 화합물(TMD)'로 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo) 같은 금속 원소와 황(S)과 같은 칼코젠 원소가 결합한 물질이다. 칼고겐 원소는 주기율표의 16족에 속하는 산소, 황, 셀레늄 등의 원소다.

TMD는 물로 수소를 생산하는 '물 전기 분해 반응'의 백금(Pt) 대체 촉매로 연구되고 있다. 이 물질은 가격이 저렴하고 내구성이 좋지만 상온에서는 전기전도도가 떨어진다. 전기가 잘 흐르는 성질인 전기 전도도가 떨어지면 촉매로서의 성능이 떨어진다.

이 물질의 성질이 떨어지는 이유는 물질 안에 반도체 성질을 갖는 부분과 금속 성질을 갖는 부분이 공존하는데, 상온에서는 주로 전기전도도가 떨어지는 반도체 형태로 존재하기 때문이다. 금속 성질을 갖도록 합성하는 방법이 개발돼 있지만 시간이 오래 걸리고 기껏 합성한 물질이 다시 반도체 특성으로 돌아가는 한계가 있다.

공동 연구팀은 모세관현상을 이용해 액체 알칼리 금속을 전이금속 칼코겐화합물에 삽입하는 방법으로 '금속성 칼코겐화합물'을 1시간 만에 합성하는데 성공했다. 기존 생산 기술은 48시간~72시간이 걸리는 데에 비해 생산 시간이 대폭 단축된 것이다.

알칼리 금속은 칼코겐 화합물에 전자를 공급해 금속성을 띄게 한다. 연구팀에 따르면 이런 알칼리 금속을 화합물 구석구석으로 전달하기 위해 미세한 관 속으로 액체가 저절로 빨려 들어가는 모세관 현상을 이용했다.

연구팀에 따르면 합성된 전이금속 칼코겐 화합물은 전체 화합물에서 금속성을 띄는 부분의 비율이 92%로 높았다. 또한 안정성 또한 뛰어났다. 고열과 강한 빛에도 성질이 유지됐고 물 전기 분해 시스템 적용 실험에서는 100시간 이상의 작동에도 성능이 유지됐다.

뉴스1

(A) 반도체상(좌) 대비 우수한 전기전도도 (B) 금속상(1T)의 열 안정성 (C) 금속상의 광 안정성 (D,E) 합성된 전이금속 칼코겐화합물을 물 분해 촉매로 사용했을 때 산성용액(D)과 염기성 용역(E)에서의 내구성을 보여줌 (울산과학기술원 제공) 2020.07.12 / 뉴스1

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>


연구팀은 이론적 분석을 통해 금속 상태가 안정적으로 유지될 수 있는 원인도 밝혔다. 합성과정에서 알칼리 금속과 칼코겐 물질 간의 결합이 금속성질로 바뀌는데 필요한 에너지 장벽을 낮추고 전자구조를 유지 시켜주는 것으로 나타났다.

박혜성 교수는 "차세대 수소 발생 촉매로 주목받고 있는 전이금속 칼코겐화합물의 새로운 합성법을 찾아냈다"며 "이차원 물질의 물리적 특성을 규명할 실마리를 제공했을 뿐만 아니라 금속상 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 잘 활용해 수소 발생 촉매 개발에도 큰 도움이 될 것"이라고 기대했다.

교육부의 '이공학개인기초연구지원사업', 과학기술정보통신부의 '중견연구자프로그램'의 지원으로 이뤄진 이번 연구는 국제학술지 어드밴스드 메터리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐다.
seungjun241@news1.kr

[© 뉴스1코리아(news1.kr), 무단 전재 및 재배포 금지]
기사가 속한 카테고리는 언론사가 분류합니다.
언론사는 한 기사를 두 개 이상의 카테고리로 분류할 수 있습니다.