수소에너지를 물 전기분해로 저렴하게 생산하다
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수소에너지를 물 전기분해로 저렴하게 생산하다
  • 이현건 기자
  • 승인 2021.10.19 22:16
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- 물 전기분해 수소생산 저가 촉매 개발
- 박정희 교수팀-전주대 강홍석 교수팀 공동연구, ACS Nano에 게재

 

(위 왼쪽부터 시계방향으로)고려대 신소재화학과 박정희 교수, 전주대학교 탄소나노신소재공학과 강홍석 교수, 고려대학교 광전자신소재연구소 권익선 연구교수, 고려대학교 광전자신소재연구소 곽인혜 연구교수, 전주대학교 소재응용연구소 Tekalign Terfa Debela 연구교수, 고려대학교 미세소자공학협동과정 김주연 박사과정

고려대학교 과학기술대 신소재화학과 박정희 교수 연구팀이 전주대 강홍석 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 물 전기분해 수소 생성 촉매인 전이금속 기반 나노 촉매를 이용하여 수소에너지를 고효율, 저비용으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
 
지구 온난화 및 급증하는 에너지 수요를 동시에 해결하는 방안으로, 다양한 신재생 에너지에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하다. 이 가운데, 수소에너지가 특히 주목을 받고 있다. 수소는 사용 시 공해 물질이 배출되지 않고 단위 무게당 가장 많은 에너지를 얻을 수 있는 에너지원이기 때문이다. 지구상에 풍부한 물을 분해하여 수소를 생산하는 물 전기분해 (electrocatalytic water splitting) 방법은 수소의 친환경적인 대량 생산이 가능하며, 전기에너지를 활용하여 효율적인 수소생산을 가능케 해 전망이 밝은 기술로 평가된다. 물 전기분해 수소 생산기술의 핵심은 수소 발생 반응이며, 이 반응에 활성이 가장 뛰어나다고 알려진 촉매는 백금으로 수소의 상용화를 위해서 반드시 값비싼 백금을 대체할 수 있는 저렴하고 우수한 활성을 갖는 촉매 소재를 개발해야 한다.

연구팀은 촉매소재로 물 전기분해에 뛰어난 활성을 갖는 몰리브덴과 바나듐의 합금인 전이금속 디칼코게나이드 나노소재를 개발했다. 전이금속 디칼코게나이드 합금은 몰리브덴과 텅스텐으로 구성된 소재가 대표적이지만,  둘은 잘 섞이지 않아 관련 연구가 활발하지 않았다.  이번 연구에서는 콜로이드 용액합성법을 이용하여 몰리브덴과 바나듐의 조성비를 조절한 합금 디칼코게나이드 소재로 합성하는 데 성공하였으며, 조성비 변화에 따른 촉매 활성도를 확인하여 단일 금속으로 있을 때 보다 훨씬 뛰어난 활성을 보인다는 것을 확인하였다. 또한, 슈퍼컴퓨터의 양자역학적 계산으로 안정된 합금 결정 구조와 뛰어난 물 전기분해 촉매 활성 메커니즘을 설명하였다. 

기존에도 이와 같은 목적을 가진 기술들이 개발되었지만, 제한된 양의 금속을 이용하는 등의 기술적 한계가 있었다.  이번 연구로 개발한 기술은 두 종류 이상의 금속 성분을 한 번에 혼합하는 합금 제조 방법으로, 촉매 뿐만 아니라 여러 가지 소재 개발에도 적용할 수 있다. 더 나아가 양자역학적 계산을 통해 합금 신소재에 대한 물리적, 화학적 성질을 예측하는 방법을 제시하였다.

연구책임자인 박정희 고려대 교수는 “이번 연구 결과는 일반인들의 수소에너지에 필요성 및 재생에너지의 필요성을 인식시킬 수 있게 할 뿐 아니라, 초중고 학생들의 지구 환경 보존 및 신재생 에너지 교육에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 밝혔습니다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 논문은 한국시간 9월 10일에 화학 분야 최우수 학술지인 ‘ACS Nano’ 온라인판에 게재되었다.

 

* 논문명 : Phase-Transition Mo1-xVxSe2 Alloy Nanosheets with Rich V-Se Vacancies and Their Enhanced Catalytic Performance of Hydrogen Evolution Reaction

* https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04453

* 저자 : 권익선 (제1저자/고려대학교), 곽인혜 (공동 제1저자/고려대학교),  Tekalign Terfa Debela (공동 제1저자/전주대학교), 강홍석 (교신저자/전주대학교), 박정희 (교신저자/고려대학교)

 

 


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