물 전기분해는 친환경 수소 생산의 핵심 기술이다.
하지만 산소를 만드는 반응(OER)을 위해 비싼 귀금속 촉매가 필요해 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
한국연구재단은 홍익대 이원규·송봉근 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 김인수 박사팀이 공동연구로 전이금속 텔루륨화합물을 활용한 새로운 산소발생반응용 전기화학 촉매 설계 방법을 개발했다고 29일 밝혔다.
텔루륨화합물은 텔루륨(Te) 원소를 포함한 화학물질. 반도체·전자소재, 합금첨가제, 고무경화제 등 다양한 분야에 활용된다.
공동연구팀은 몰리브덴 다이텔루라이드(MoTe₂)의 상변화 및 금속 수산화물의 계면을 조절하는 방법으로 전자구조를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계법을 개발했다.
MoTe₂는 몰리브덴과 텔루륨으로 이뤄진 이차원 반도체 물질로, 원자층 수준의 두께를 가지며 전자·광학적 특성이 우수해 차세대 트랜지스터나 광소자 등에 활용 가능성이 높다.
초박막 반도체 소자로 활용되는 전이금속 칼코겐 화합물은 우수한 전자 전달성 및 조절 가능한 전기화학적 특성으로 값비싼 귀금속 수전해 촉매를 대체할 수 있어 주목받고 있다.
하지만 전이금속 화합물의 표면에 산소 중간체들이 잘 달라붙거나 떨어지지 않기 때문에 수전해 과정의 핵심 표면화학반응 중 하나인 산소발생반응을 위한 촉매로서의 역할에 한계가 있었다.
공동연구팀은 전이금속 텔루륨 화합물의 결함을 조절하고, 물질의 상변환을 유도해 새로운 형태의 기저 촉매를 만들었다.
이렇게 만든 촉매는 금속 수산화물과 결합해 독특한 이종접합구조를 이뤘고, 값비싼 귀금속 촉매보다 우수한 산소발생반응 성능을 보였다.
또 기저촉매와 금속 수산화물 사이의 강한 결합으로 기존 나노소재 기반 촉매에서 나타나던 산소발생반응의 불안정성 문제를 극복하고 안정적인 성능을 유지했다.
연구팀이 제시한 설계법은 상변환 가능한 모든 전이금속 화합물을 기반으로 한 산소발생반응용 촉매 개발에도 폭넓게 활용 가능한 범용 합성법으로 평가받았다.
아울러 로켓추진체 및 반도체공정 등에 사용되는 하이드라진 산화반응을 위한 수전해 촉매로도 활용 가능하다.
이 교수는 “이번 성과는 탄소중립과 지속가능한 에너지 전환을 앞당길 핵심 기반 기술로, 친환경 수소 산업의 생태계 구축 및 에너지 혁신에 실질적인 도움을 줄 것”이라며 “후속연구를 통해 대면적 전극에서의 촉매성능 및 안정성을 확보하여 상용가능한 시스템으로 발전시키겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구성과는 지난 23일 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 게재됐다.
