수전해 촉매는 물의 전기분해를 통한 친환경적 수소 생산을 위해 반드시 필요한 핵심 재료다. 이론적·실험적 성능이 가장 우수한 백금이 널리 사용되고 있지만, 백금의 희소성과 매우 비싼 가격은 수전해를 통한 수소의 대량 생산을 제한한다. 이는 수전해용 수소발생 촉매를 연구하는 연구자들 사이에서 늘 기술적 난관이였다.

이 교수 연구팀은 몰리브덴 이황화물(MoS2)의 응력 조절에 의해 유도된 재료 내부의 부분적 상전이(local phase transformation) 및 결함 조절(defect engineering)을 통해 MoS2의 촉매성능을 백금 이상으로 끌어올리는 데 성공했다. 

MoS2는 전이 금속 칼코겐 화합물에 속하는 물질로 그래핀과 함께 2차원 반도체 재료의 활성층으로 널리 이용되고 있다. 특히 단층 MoS2의 경우 백금 수준의 촉매효율을 달성할 수 있을 것이라 예측돼 왔다. 그러나 복잡한 화학적 합성 및 습식 후처리 공정은 해당 촉매재료의 대면적 생산 및 상용화를 가로막는 근본요인이다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 기계적 박리 및 건식 공정만을 통해 폴리스타이렌(PS) 고분자 기판 바탕 수전해용 작업전극상에 다층 MoS2를 전사했다. 고분자 기판상에 마이크로 주름구조를 형성함으로써 재료 내부에 인장응력(tensile stress)을 유도, 반도체상에서 금속상으로의 부분적 상전이를 다층 MoS2에서 발생시켰다.

이번 연구를 통해 라만 분광법과 X선 광전자 분광법을 활용해 재료 내부에서의 상전이 및 탈황 공정의 시너지 효과가 다중 MoS2 상에서 백금 이상의 수전해 촉매효율을 얻을 수 있다는 근본 구조를 규명할 수 있었다.

이원규 교수는 "해당 연구는 전기화학적으로 그 활용도가 낮은 다층 MoS2를 백금 이상의 수전해 촉매로서 역으로 제안했다"며 "복잡한 진공 장비 및 화학적 합성법 없이 백금보다 월등한 안전성 수전해 촉매를 개발했다는 데 의의가 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 기본연구 및 우수신진연구 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노과학기술분야 대표 저널인 '나노레터스(Nano Letters)' 국제학술지에 등재됐다.