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기계공학부 정형모 교수 연구팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발 2024.05.02
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기계공학부 정형모 교수 연구팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발

- 국제학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy 게재

- 상 및 결함 동시 제어를 통한 고성능 비귀금속 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발


▲기계공학부 정형모 교수, 경북대 신소재공학과 이지훈 교수, 기계공학부 김문경 박사후연구원


기계공학부 정형모 교수 연구팀은 경북대학교 신소재공학과 이지훈 교수, 플로리다 A&M 대학교 물리학과 Shyam Kattel 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 소재의 상 및 결함 동시 제어 전기화학적 양이온 주입법을 통한 고성능 비귀금속 수소 생산 전기화학 촉매를 개발했다.


전기화학적 수소 생산 기술은 전기화학 촉매를 이용하여 고밀도의 에너지를 가지고 있는 차세대 에너지원인 수소를 온실가스 배출 없이 생산할 수 있는 기술로 에너지 및 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 미래 기술로 주목받고 있지만, 전기화학적 수소 생산 촉매의 낮은 활성도 및 수명 등 촉매 소재 성능의 한계와 한정적인 환경으로 인해, 백금과 같은 귀금속 촉매 소재의 활용으로 제한되어 실질적인 적용과 활용이 어려운 실정이다.


기계공학부 정형모 교수가 주도한 공동연구팀은 소재의 상 및 결함을 동시에 제어할 수 있는 전기화학적 양이온 주입법을 고안했다. 전기화학적 양이온 주입법은 기저면(Basal plane)의 화학적 안정성으로 인해 전체적으로 촉매 활성에 한계를 보이는 2차원 층상 구조에 매우 유효한 것으로 밝혀졌다. 연구팀은 이황화몰리브데넘(MoS2)에 해당 방법을 적용하여 기저면에 외인성 공공결함 형성을 통해 촉매 활성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 반도체성 2H 상을 금속성 1T 상으로 상전이를 함으로써 에너지 효율적인 수전해 공정이 가능함을 체계적으로 밝힐 수 있었다. 뿐만 아니라 이 방법은 소재 자체의 내인성 외인성 성능향상 요소를 동시에 이끌어내기 때문에 물분해 pH 상황에 상관없이 높은 수소발생 효율을 가지는 촉매를 개발할 수 있어서, 기존 수전해 상용화에 큰 걸림돌인 수전해 환경을 대폭 완화하였다.


전기화학적 양이온 주입법의 양이온 주입량을 반응 전위차를 통해 정밀하고 연속적으로 제어하여 MoS2 격자 내 양이온 삽입에 의한 상전이 및 MoS2와 주입된 양이온 간 전환반응에 의해 결함이 형성되는 것을 확인하였으며, 따라서 공공 결함을 갖는 1T 상의 MoS2 촉매 소재 합성에 성공하였다.

▲ (좌) 전기화학적 양이온 주입법 기반 연속적 MoS2 소재 제어 과정 및 공공 결함을 갖는 1T MoS2 촉매의 수소 생산 모식도 

(우) 전기화학적 양이온 주입법을 통한 MoS2 소재 제어 공정 및 단계적 표면 구조 분석


공공 결함을 갖는 1T 상 및 결함을 가지는 MoS2 수소 생산 촉매 소재는 다양한 pH 전해질 조건에서 높은 수소 생산 활성도와 낮은 과전압 (η10= 144, 212, 184 mV, 각각 pH= 0, 7, 14)을 보였으며, 100시간 동안 안정적으로 활성도가 유지되어 넓은 pH 범위에서 우수한 수소 생산 활성도 및 안정성을 갖는 전기화학적 수소 생산 촉매 소재를 개발하였다. (η10: 10 mA cm-2의 전류밀도를 얻기 위해 필요로 하는 과전압)


또한, 포항 가속기 연구소에서 수행한 실시간 X-선 흡수 미세구조 분석(X-ray Absorption Fine Structure) 및 밀도범함수 이론(Density Functional Theory) 계산을 통해 MoS2 수소 생산 촉매 소재가 1T 상 및 공공 결함을 가질 때, 수소 흡착 반응 및 물 해리 반응을 용이하게 하여 높은 수소 생산 활성도를 얻을 수 있음을 규명하였다.


기계공학부 정형모 교수는 “기존의 소재 제어법으로는 상과 결함을 동시 제어할 수 없는 한계가 있었으나, 본 연구의 접근법은 복합적인 제어 요소를 촉매 소재에 동시 적용하여 숨겨진 소재의 특성을 발현하는 방법을 새롭게 제시한다. 이러한 접근법은 고성능 그린 수소 생산 소재 설계뿐만 아니라, 향후 에너지 소재 설계 전반에 적용할 수 있기 때문에 파급력이 큰 연구로 확장할 수 있을 것이라 기대된다”라고 설명했다.


본 연구는 한국연구재단의 원천기술개발사업 미래기술연구실 과제(NRF-2022M3H4A1A04098822)와 우수신진연구 과제(NRF-2022R1C1C1004171)의 지원으로 수행되었으며 환경·에너지 분야 국제학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy(IF: 22.1, JCR 0.9%)에 4월 3일 온라인 게재되었고, 9월 5일 출판 예정이다.


※ 논문명:Enhancing electrocatalytic hydrogen evolution of MoS2 enabled by electrochemical cation implantation for simultaneous surface-defect and phase engineering

※ 저자명: 정형모 교수(교신저자), 김문경 박사후연구원(제1저자), 송병곤, 권순형, Wang Benzhi(공동저자)


○ 관련 언론보도

- 성균관대 "정형모 교수팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발" <에듀동아, 2024.05.02.>
- 성균관대 정형모 교수팀, 수소 생산 비귀금속 촉매 소재 개발 <아시아투데이, 2024.05.02.>
- 성균관대, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발 <대학저널, 2024.05.02.>
- 성균관대 정형모 교수 연구팀 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발 <베리타스알파, 2024.05.02.>
- 성균관대 정형모 교수팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발 <이뉴스투데이, 2024.05.02.>
- 성균관대 정형모 교수 연구팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발 <뉴스티앤티, 2024.05.02.>
- 정형모 성균관대 기계공학부 교수 연구팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발 <스마트경제, 2024.05.02.>
- 성균관대 정형모 교수 연구팀, 고성능 수소 생산 전기화학 촉매 소재 개발 <팝콘뉴스, 2024.05.02.>

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