[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 가혹한 환경에서도 안정적으로 물을 분해해 수소와 산소를 동시에 생산하는 ‘수전해 촉매’가 개발됐다. 현재까지 보고된 촉매 중 안정성이 가장 뛰어나며, 만들기 쉽고 가격도 저렴한 데다 성능도 뛰어나다.

UNIST(울산과학기술원·총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·곽상규 교수 공동연구팀은 ‘전이금속칼코겐화합물’과 ‘페로브스카이트산화물’을 결합한 ‘이종구조 수전해 촉매’를 개발하는 데 성공했다고 12일 밝혔다. 새로운 촉매는 합성공정이 단순하고 대량생산도 가능해 상용화에 대한 기대도 높다.

연구결과는 자연과학 분야의 세계적인 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 온라인판에 이날 게재됐다.

‘전이금속칼코겐화합물’과 ‘페로브스카이트산화물’을 결합한 ‘이종구조 수전해 촉매’의 모식도 [이미지=UNIST]

연구진에 따르면 수소를 생산하는 친환경적인 방법으로 ‘수전해 기술’이 꼽힌다. 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 기술인데, 이때 물 분해 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존에는 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매의 성능이 우수하다고 보고됐다. 하지만 귀금속 촉매는 가격이 비싸고 안정성도 낮아 상용화가 어려웠다.

이번 연구에서는 몰리브덴다이셀레나이드(MoSe₂, 전이금속칼코겐 화합물)와 란탄스트론튬코발트산화물(La0.5Sr0.5CoO3-δ,, LSC, 페로브스카이트 산화물)를 용기에 넣고 쇠구슬과 함께 굴리는 간단한 방법(볼밀 공정)으로 이종구조 촉매를 합성했다.

이렇게 만들어진 촉매는 수소발생반응과 산소발생반응 양쪽에서 귀금속 촉매에 근접한 성능을 보였다. 귀금속 촉매가 둘 중 한 곳에서만 우수한 성능을 보이는 것과 차별화되는 부분이다.

특히 이 촉매는 가로세로 1㎝ 면적에 100밀리암페어(㎃)의 전류를 흘려도 전극 손상 없이 1000시간 동안 안정적으로 작동했다. 기존에 보고된 촉매들은 같은 면적에 50㎃ 이상의 전류를 흘려도 오래 가지 않아 전극이 손상된다. 새로운 촉매는 2배 이상 가혹한 환경에서도 끄떡없이 작동한 것이다.

또 전이금속칼코겐화합물과 페로브스카이트산화물의 이종구조에서 전이금속칼코겐화합물의 반도체 성질이 금속 성질로 변하는 독특한 상전이 현상은 이번 연구에서 최초로 발견돼 실험적·이론적으로 규명됐다. 페로브스카이트산화물(LSC)에서 전이금속칼코켄화합물(MoSe₂)로 전자가 이동하자, 전이금속칼로켄화합물의 일부 구조가 변하면서 반도체 성질이 금속 성질로 바뀐 것이다.

박혜성 교수는 “전이금속칼코겐화합물과 페로브스카이트산화물 사이에 전자가 이동하면서 부분적으로 나타난 상전이 현상은 전이금속칼코겐화합물 상전이에 대한 새로운 시각을 제시할 것”이라며 “이번에 제안한 촉매 설계는 다양한 화합물로 조합할 수 있어 잠재력이 무궁무진할 것”이라고 기대했다.

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