기계공학부/나노과학기술학과/반도체융합공학과 소속 김태성 교수와 화학공학부/나노과학기술학과/성균에너지과학기술원 소속 유필진교수, 한국기계연구원 김형우박사가 이끄는 공동연구팀이 저온플라즈마-분극장내재 이차원소재 이종접합구조를 활용하여 고효율 및 고안정성 수소생산전극 소재 개발에 성공했다고 밝혔다.

전이금속 디칼코게나이드 기반의 박막은 형상에 따라 수소이온에 대한 서로 다른 흡착에너지를 보이고 있어 형상제어 기반 수소발생전극 디자인이 연구되고 있다. 2H(반도체적 특성)형상은 금속성을 지니는 1T 형상에 비해 전하전달 능력이 떨어져, 1T 형상의 전이금속 디칼코게나이드를 만드는 연구가 요구되어 오고 있지만, 1T형상의 경우 과도한 흡착으로 인해 탈착과정에서 문제를 겪고 있어, 이를 해결하기 위한 소재특성제어 연구가 필요한 상황이었다.

이에 김태성, 유필진 교수 연구팀은 이러한 기존 이차원소재 기반의 수소생산 전극의 한계를 극복하고자, 분극장이 내재된 이종접합계면을 통한 계면 공극형성으로 황에 구속되어 있던 전자에 자유도를 주어, 표면으로의 전하전달 능력을 향상시켰고, 결과적으로 흡착된 수소이온이 빠르게 환원되어 수소기체로 변환 가능한 시스템을 개발하였다.

연구팀은 텅스텐-그래핀 이종계면을 형성하여, 최하층의 텅스텐과 그래핀 사이에 일함수 차이로 인한 분극장이 형성됨을 확인하였고, 이는 저온 플라즈마에서 아르곤에 의해 이온화된 황화수소이온이 침투하지 못하게 되는 내부 장벽과 같은 역할을 하게 된다. 따라서, 최하층에 황 공극이 유도되며 이를통해 구속되어있던 전자를 자유롭게 만들 수 있으므로 기존 이차원 박막 기반의 수소생산 전극에 비해 표면으로의 전하전달에 유리하다.

연구 결과에 따르면, 저온 플라즈마 이온 충돌반응에 따른 황화수소 이온 침투 메커니즘을 구면수차투과현미경을 통해 나노결정립 원자층 형성을 확인하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy와 X-ray diffraction을 통해 황화수소 이온이 격자를 파고들며 비정질 WS2이 결정성을 가지는 메커니즘과 격자계면으로의 과도한 이온주입을 유도하여 in-situ 1T 격자 합성이 가능함을 밝혔다.

본 연구 성과는 소재 다학제 융합연구 분야 상위 2% 국제 학술지 ‘어드밴스드 메터리얼즈’에 2024년 9월9일 게재되었다.

※ 저널명: Advanced Materials

※ 논문명: Electron Release via Internal Polarization Fields for Optimal S-H Bonding States

※ DOI: 10.1002/adma.202411211

※ 저자

- 교신저자: 김태성 교수(성균관대학교 기계공학부 / 나노과학기술학과 / 반도체융합공학과), 유필진 교수 (성균관대학교 화학공학/고분자공학과 / 나노과학기술학과 / 성균에너지과학기술원), 김형우 박사 (한국기계연구원)

- 제1저자: 석현호 (성균관대학교 나노과학기술학과 석박통합과정), 김민준 (성균관대학교 나노과학기술학과 석박통합과정), 조진일 (성균관대학교 기계공학부)

- 공동저자: 손시훈(성균관대학교 나노과학기술학과), Yonas Tsegaye Megra(성균관대학교 기계공학과), 이진형(성균관대학교 기계공학과), 남명균(성균관대학교 화학공학/고분자공학과), 김건우(포항공과대학교 화학공하과), Kubra Aydin(성균관대학교 나노과학기술학과), 유성수(성균관대학교 화학공학과), 이현정(성균관대학교 기계공학과), Vinit K. Kanade(성균관대학교 나노과학기술학과), 김무영(한국기계연구원), 문지훈(한국표준과학연구원), 김진곤(포항공과대학교 화학공학과), 석지원(성균관대학교 기계공학과)