촉매에 '빈틈' 구조 만들어 수소발생 효율 높인다

UNIST 연구팀, 비싼 후처리 없이 MoSe₂ 촉매에 빈자리 결함 만들어
규칙적으로 쌓인 원자들 사이 빈 곳이 화학반응 촉진
촉매의 '빈틈' 구조를 이용해 수소 생산 효율을 높일 방법이 제시됐다.

UNIST(총장 정무영)는 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀이 전이금속 기반 촉매 '이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)'에 있는 빈자리 결함(vacancy)을 조절해 수소발생 반응이 촉진되는 원리를 규명했다고 18일 밝혔다. 

연구진은 이셀레나이드 몰리브덴을 실시간(in-situ)으로 합성하면서 빈자리 결함을 정교하게 조절했다. 실험 결과, 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소 생산 반응에 알맞은 '빈자리 결함'이 만들어졌다.

둘 이상의 원자가 합쳐진 물질은 각 원자가 규칙적으로 쌓여 결정(結晶)을 이룬다. 이때 규칙적인 구조 사이에 원자의 빈자리가 생길 수 있는데, 이를 빈자리 결함이라 한다. 빈자리 결함을 가진 물질을 촉매로 쓰이면 화학반응을 촉진할 수 있다.

이셀레나이드 몰리브덴 촉매는 물의 전기분해에서 수소 발생을 돕는다. 이 촉매에 후처리 공정을 하면 인위적으로 빈자리 결함이 생기면서 수소 생산 효율이 높아진다. 하지만 후처리 공정이 들어가면 전체 합성 과정이 복잡해져 공정 비용이 높아진다.

연구팀은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 후처리 공정 없이 단번에 빈자리 결함을 도입하는 데 성공했다. 이 방법으로 합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과, 수소발생 반응의 중요한 지표 중 하나인 타펠 기울기(Tafel slope)가 귀금속인 백금 촉매에 가깝게 나타났다.

타펠 기울기 값이 작을수록 수소발생 
반응이 잘 일어난다. 연구진이 합성한 촉매의 타펠 기울기는 전이금속 기반 촉매(TMDs) 단독 물질로는 가장 낮은 값을 기록했다.

연구팀은 새로 합성한 촉매를 원자 단위 이미지로 분석해 셀레늄(Se) 빈자리 결함이 연속적으로 존재함을 확인했다. 또 연속적인 빈자리 결함이 수소 발생에 필요한 '수소 흡착 에너지'와 '수소 확산 장벽'을 크게 줄였다.

물에 존재하는 수소 이온(H+)이 수소 기체(H₂)가 되려면, 수소 이온이 촉매에 붙는 흡착이 잘 이뤄지고, 흡착된 수소 원자가 다른 원자 사이를 잘 이동하는 확산이 활성화돼야 타펠 반응이 활성화된다.
연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 흡착과 확산을 모두 활성화했다.

특히, 연속된 셀레늄 원자의 빈자리 결함이 수소 확산 장벽을 감소시켜 귀금속 기반 촉매를 모방할 수 있다는 것은 이번 연구에서 처음 밝혀졌다. 이 결과는 향후 빈자리 결함을 설계해 고효율의 전이금속 촉매를 개발하는 데 기여할 전망이다.

범밀도함수론(DFT)을 통한 수소발생반응(HER) 성능 향상 원인 분석 결과. 연속적인 상태의 빈자리 결함을 갖는 MoSe₂의 흡착 에너지와 확산에 필요한 에너지가 낮다. <그림=UNIST 제공>범밀도함수론(DFT)을 통한 수소발생반응(HER) 성능 향상 원인 분석 결과. 연속적인 상태의 빈자리 결함을 갖는 MoSe₂의 흡착 에너지와 확산에 필요한 에너지가 낮다. <그림=UNIST 제공>

박혜성 교수는 "이번 연구는 이차원(2D) 물질의 합성뿐 아니라 수소 발생 촉매의 발전에 있어서도 중요한 연구"라며 "빈자리 결함을 제어해 새로운 2D 물질을 만들어내고, 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속(전이금속) 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것"이라고 기대했다.

연구 결과는 학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 7월 5일자로 게재됐다. 논문명은 'In-situ coalesced vacancies on MoSe₂ mimicking noble metal: Unprecedented Tafel reaction in hydrogen evolution'이다.
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