▲ 전이금속 황화합물 및 그래핀 복합체 촉매 제조 모식도.

[월간수소경제 송해영 기자] 류정호 한국교통대학교 교수를 중심으로 한 공동 연구팀이 수소 생산 효율을 대폭 높일 수 있는 복합체 개발에 성공했다.

공동 연구팀은 물의 전기분해를 통한 수소 생산 시 양극반응을 크게 촉진할 수 있는 금속황화물·그래핀(metal sulfide‧graphene) 복합체를 개발했다고 지난 23일 밝혔다. 이번 공동 연구팀에는 류정호 교수를 비롯해 한혁수·김강민·민성욱 한국생산기술원 박사, 송태섭 한양대학교 교수, 최희채 버츄얼랩 대표가 참여했다.

연구 결과는 미국 화학회의 촉매분야 학술지인 ‘ACS Catalysis(IF 10.614)’의 인사이드 커버논문으로 게재됐다.

그동안 수소를 생산하기 위한 금속 촉매로는 백금이 널리 활용됐지만 높은 가격과 희소성으로 인해 수소에너지 대중화를 가로막는 측면이 있었다.

이에 공동 연구팀은 백금을 대체할 수 있는 소재 중 하나인 금속황화물·그래핀 복합체의 특성향상을 위한 연구를 진행해 금속황화물·그래핀 복합체에서 전하 이동의 메카니즘을 규명하고 이에 따른 촉매의 활성도 증가에 따른 원인을 원자 단위에서 규명했다.

특히 이번 연구에서는 금속황화물 중 코발트(Co) 원자가 그래핀 시트 위의 질소(N) 사이트에 결합을 하게 되고, 이때 금속황화물과 그래핀 시트 간 전자밴드의 휨(bending) 현상이 일어나게 되며 황화합물에서 그래핀 시트로의 전하 이동을 촉진시키는 현상을 확인했다.

또한 코발트에 의해 결합이 형성될 때 황(S) 원자는 평형상태보다 전자가 부족한 상태로 전이되며 이로 인해 OH- 이온의 표면 흡착 및 전하 이동이 촉진된다. 마지막으로 전이금속 황화물 표면에 형성된 수 나노미터(nm) 두께의 비정질층이 물분해 양극반응을 병렬화 시킴으로써 물분해 양극반응이 촉진되는 현상을 최종적으로 규명하는 성과를 거뒀다.

류정호 교수는 “이번 연구 결과는 배터리, 연료전지, 수퍼캐패시터 등 전기‧화학분야에 응용될 수 있을 것”이라며 “관련 신소재 및 디바이스의 특성을 크게 향상시킬 수 있을 것”이라고 밝혔다.

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