황성주 교수팀, 2차원 촉매 소재 합성법 개발 및 활성 메커니즘 규명
전기화학촉매 소재 개발에 새로운 방법론 제시
나노 분야 세계적인 학술지 ‘ACS Nano’ 게재
[사진. (왼쪽부터) 황성주 교수, 김효연 박사(제1저자)]
공과대학 신소재공학과 황성주 교수 연구팀은 1㎚ 이하의 두께와 1㎛ 이상의 폭(lateral size)을 갖는 구멍 뚫린(holey) 2차원 루테늄 인화물(Ru2P) 나노시트 촉매의 합성법을 세계 최초로 보고했다. 합성한 Ru2P 나노시트는 다양한 pH를 갖는 전해질 용액에서 상용화된 백금 촉매 소재보다 훨씬 우수한 수소 발생 전기화학촉매 성능을 가지는 것을 확인했다.
나날이 심화되고 있는 기후온난화로 세계 각국은 화석연료 사용을 저감하기 위한 신재생에너지 산업에 집중 투자하고 있다. 그중 수소 분야는 향후 에너지 시장에 중요한 위치를 차지할 것이 확실시되는 주력·신성장 산업 분야의 하나이다. 현 단계에는 대부분의 수소 생산은 우수한 경제성을 갖고 있는 그레이 수소 생산법이 주를 이루고 있다. 하지만 이들 처리 과정에서 필연적으로 이산화탄소가 배출되기 때문에 이러한 온실가스를 줄이기 위해서는 수전해를 이용한 그린 수소의 개발이 필수적이다.
현재 우수한 수소 발생 전기화학촉매로 사용되고 있는 소재는 이리듐/백금과 같은 귀금속계 물질이다. 하지만 이리듐/백금은 가격이 높고 촉매 안정성이 낮다는 단점이 있다. 따라서 이러한 귀금속 촉매를 대체하기 위해 우수한 촉매 활성 및 안정성을 가지는 효율적인 새로운 촉매 소재 개발이 시급하다.
황성주 교수 연구팀은 이리듐/백금계 촉매를 대체하고자 새로운 수소 발생 촉매 소재를 개발하기 위해 구멍 뚫린 2차원 루테늄 인화물 나노시트 소재를 개발했다. 개발된 2차원 루테늄 인화물 나노시트는 1㎚ 이하의 매우 얇은 두께로 인해 모든 구성 원소가 사실상 표면에 노출돼 있어서 표면 반응을 위주로 하는 촉매 반응에서 반응 면적을 극대화해 반응물과 생성물의 흡탈착을 촉진시켰으며, 표면에 생성된 구멍은 전해질의 이동을 촉진시켜 궁극적으로 수소 발생 촉매 성능을 현저히 향상시켰다. 개발된 2차원 루테늄 인화물 나노시트는 현재 상용화되고 있는 백금촉매보다 같은 전류밀도에서 최대 44% 정도 낮은 과전압과 높은 수소 발생 촉매 성능을 갖는 것을 확인했다.
또한 연구팀은 in situ 분광분석법을 통해 우수한 촉매 성능을 갖는 2차원 루테늄 인화물 소재의 촉매 활성 향상의 메커니즘을 밝혀냈으며, 소재합성법과 더불어 촉매 활성 메커니즘 규명을 통해 새로운 소재 개발에 대한 기술적 기반을 확립하고 방법론을 제시했다.
황성주 교수 연구팀은 “본 연구를 통해 개발된 2차원 촉매 소재 합성법은 새로운 2차원 소재 개발에 방법론을 제시할 수 있으며, 본 연구에서 개발된 수소 발생 촉매 소재는 향후 탄소중립 달성을 위해 이산화탄소 발생이 수반되지 않는 그린 수소 기술 개발에 적용할 수 있어 에너지 시장에서 중요한 위치를 차지할 것이 확실시되는 주력·신성장 산업 분야 중 하나인 수소 경제 활성화에 이바지할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 주관 중견연구자지원사업, 혼성계면화학구조연구센터 등의 지원으로 포항가속기연구소의 김민규 박사 연구팀과의 공동연구로 수행됐으며, 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 나노분야 세계적인 학술지인 ‘ACS Nano’에 9월 26일 온라인 게재됐다.
논문정보
● 논문제목: Atomically thin holey two-dimensional Ru2P nanosheets for enhanced hydrogen evolution electrocatalysis
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