국내 연구진이 전이금속 텔루륨화합물을 활용한 새로운 산소발생반응용 전기화학 촉매 설계 방법을 개발했다. 친환경 수소 생산의 효율을 높이고 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 가능성을 확인했다.
한국연구재단은 이원규·송봉근 홍익대 교수팀과 김인수 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀이 몰리브덴 다이텔루라이드 상변화 및 금속 수산화물 계면을 조절하는 방법으로 전자구조를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계법을 개발했다고 29일 밝혔다.
초박막 반도체 소자로 활용되는 전이금속 칼코겐 화합물은 우수한 전자 전달성 및 조절 가능한 전기화학적 특성을 갖는다. 값비싼 귀금속 수전해 촉매를 대체할 수 있는 소재군으로 주목받고 있다. 다만 전이금속 화합물 표면에 산소 중간체들이 잘 달라붙거나 떨어지지 않아 수전해 과정의 핵심 표면화학반응 중 하나인 산소발생반응을 위한 촉매 역할에는 한계가 있다.
공동연구팀은 전이금속 텔루륨 화합물의 결함을 조절하고, 물질 상변환을 유도해 새로운 형태의 기저 촉매를 만들었다.
만든 촉매는 금속 수산화물과 결합해 독특한 이종접합구조를 이뤘으며, 값비싼 귀금속 촉매 대비 우수한 산소발생반응 성능을 보였다.
또 기저촉매와 금속 수산화물 사이 강한 결합으로 기존 나노소재 기반 촉매에서 나타나던 산소발생반응 불안정성 문제를 극복하고 안정적인 성능을 유지했다.
공동연구팀이 제시한 설계법은 상변환 가능한 모든 전이금속 화합물을 기반으로 한 산소발생반응용 촉매 개발에도 폭넓게 활용 가능한 범용 합성법으로 평가받았다. 로켓추진체 및 반도체공정 등에 사용되는 하이드라진 산화반응을 위한 수전해 촉매로도 활용할 수 있다.
이원규 교수는 “이번 연구성과는 탄소중립과 지속가능 에너지 전환을 앞당길 핵심 기반 기술”이라며 “후속 연구를 통해 대면적 전극에서 촉매 성능 및 안정성을 확보하여 상용 가능한 시스템으로 발전시킬 계획이다”이라고 말했다.
이번 연구성과는 화학분야 국제학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 23일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
