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학술

수소에너지를 물 전기분해로 저렴하게 생산

'ACS Nano' 온라인판에 게재

URL복사
물 전기분해 수소생산 저가 촉매 개발
박정희 교수팀-전주대 강홍석 교수팀 공동연구





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 활발한 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





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



그림 설명


(그림 1) 콜로이드 합성법을 이용하여 조성비를 조절한 몰리브덴 바나듐 합금 디칼코게나이드 나노소재의 구조
 콜로이드 합성법 (Colloidal synthetic method)을 이용하여 몰리브덴 바나듐 합금 디칼코게나이드 나노소재를 합성하였다. 전구체 용액 반응으로부터 몰리브덴과 바나듐의 합금을 성공적으로 합성하였고, 전구체인 MoCl5와 VCl3의 비율을 조절하여 성분비를 조절하였다. 또한, 양자역학적 계산으로 합금 나노시트의 안정성을 확인하였다.


(그림 2) 조성비를 조절한 몰리브덴 바나듐 디셀레나이드의 주사투과전자현미경(HAADF-STEM) 이 미지 및 전기화학적 촉매 특성평가 
 전류 밀도가 높을수록 생성되는 수소의 양이 많기 때문에 이를 통해 수소 발생 촉매 활성을 연구할 수 있다. 합금 Mo0.4V0.6Se2의 전류밀도는 MoSe2, VSe2보다 100배 이상 높았다. 또한 주사투과전자현미경을 통해 균일하게 혼합된 원자를 관찰하였다. Mo 원자와 V 원자가 혼합됨으로써 반도체성에서 금속성으로 전이되며 촉매 활성 자리 수 또한 늘어나 촉매 활성이 증가됨을 확인하였다. 



연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

지금까지 가장 잘 알려진 물 전기분해 수소생산 촉매는 백금이다. 백금은 매우 우수한  촉매 활성을 보이지만, 올해의 백금의 가격은 kg 당 약 3만 2천 달러로 매우 비싸 상용화되기 어렵다. 반면 Mo, V 은 kg 당 각각 42, 20 달러에 거래되어 백금보다 훨씬 저렴하다. 따라서 백금을 대체할 수 있는 물 전기분해 촉매를 개발한다면 ‘수소’의 상용화를 앞당기고 보편화된 기술로 확대시킬 수 있을 것으로 판단하여 연구를 시작하게 되었다.


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 기술은 개발 난이도가 높은 합금 전이금속 디칼코게나이드의 제조 방법이다. 이 소재를 합성하기 위해 주로 사용되는 고온 기상증착법으로는 상분리가 쉽게 발생하기 때문에 합금으로 개발하기 어렵다. 이를 해결하기 위하여 정량비로 성분 조절이 가능한 저온 콜로이드 용액 합성법을 개발하였으며, 다양한 금속이 혼합된 합금 전이금속 디칼코게나이드를 고수득률로 합성할 수 있었다.


□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

기존의 촉매는 단일한 금속 성분만으로 구성하여 촉매 효율을 극대화 시키는데 한계가 많다. 이를 극복하기 위해 두 개 이상의 금속 성분을 시도하고 있지만 균일하게 혼합하는 방법으로 고온 및 고 위험성 가스, 고가장비를 사용하고 있어 합성법에 한계가 많았다. 기존 시도의 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 저온 콜로이드 용액 합성법을 개발하였다. 이 방법을 사용하면 저비용의 단순한 실험 장치로 균일한 합금을 합성할 수 있으며, 세 개 이상의 금속을 포함하는 합금까지도 개발할 수 있는 획기적 방법이다.


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

최근 전 세계적으로 물 전기분해 촉매 연구가 활발하며 우리나라 정부에서도 수소에너지의 상용화를 위해 많은 연구 개발 투자를 하고 있다. 따라서 본 촉매 제조 기술은 대학과 산업에서 필수적으로 개발해야 하는 중요한 분야라고 할 수 있다. 이 기술은 백금 촉매를 저렴한 소재로 대체 할 수 있을 뿐만 아니라, 합성과정의 간소화 및 조성비 조절이 가능하여 미래에 실용화 할 수 있는 기술이다. 본 연구진이 개발한 방법으로 두 개 이상의 금속을 혼합하면 한 가지 금속이 포함된 소재보다 뛰어난 촉매 활성을 가지므로 물 전기분해 촉매 제조에 핵심 기술로 활용될 것이다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

본 연구를 통해 두 개의 금속 성분이 혼합된 전이금속 디칼코게나이드의 합성법을 개발하였다. 향후, 이 합성법을 혼합이 불가능하다고 예측된 디칼코게나이드 합금 소재에 도입하여 세 개 이상의 금속성분이 포함된 소재를 합성하고 이를 고효율 물 전기분해 촉매로 개발할 계획이다. 이로써 수소에너지의 조속한 상용화에 이바지하고자한다.


연구자 소개


<박정희 교수, 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 신소재화학과
 ○ 전 화 : 044-860-1336
 ○ 메 일 : parkjh@korea.ac.kr
2. 학력
 ○ 1978.03-1982.02 고려대학교 학사 (화학과)
 ○ 1982.02-1984.02 고려대학교 석사 (화학과)
 ○ 1984.09-1988.08 미국 컬럼비아 대학 박사 (화학과)
3. 경력사항 
 ○ 1988.09 - 1989.08 미국 하버드 대학 화학과, 박사후 연구원
 ○ 1989.09 - 1991.08 미국 컬럼비아 대학 화학과, 박사후 연구원
 ○ 1991.12 - 1993.02 한국표준과학연구원, 박사후 연구원
 ○ 1993.03 - 현재 고려대학교, 교수
4. 전문분야 정보
○ 나노소재 합성 및 분석 
○ 수소에너지 촉매 개발
5. 연구지원 정보
 ○ 2014 ~ 2015  기본연구지원사업‘IV-V 족 반도체 2차원 나노소재 개발 연구’
 ○ 2018 ~ 2020  과학기술정보통신부 기초연구사업 중견연구자지원사업 ‘준금속성 2차원 나노소재 개발 및 환원 촉매 특성연구’
 ○ 2020 ~ 2025  과학기술정보통신부 기초연구사업 중견연구자지원사업 ‘조성비 제어된 금속성 나노시트의 물 전기분해 수소발생 촉매 특성 연구’
 


<강홍석 교수, 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 전주대학교 탄소나노신소재공학과
 ○ 메 일 : hsk@jj.ac.kr

2. 학력
 ○ 1975.03 - 1979.07 서울대학교 학사 (화학)
 ○ 1980.03 - 1982.02 한국과학기술원 석사 (화학)
 ○ 1982.03 - 1986.02 한국과학기술원 박사 (물리화학)

3. 경력사항 
 ○ 2000.06 - 2002.02 미국 North Carolina 주립대 물리학과 교환연구원
 ○ 2006.12 - 2007.11 한국학술진흥재단 해외방문교수
 ○ 1992.09 - 현재 전주대학교 탄소나노신소재공학과 교수

4. 전문분야 정보
 ○ 순수이론적 연구 : 2차원 물질의 전자구조, 스핀궤도결합 등 기타 물리화학적 성질을 이해하기 위한 여러가지 제일원리 계산
 ○ 실험연구자와 공동연구 : 전기화학적/광전기화학적 물/이산화탄소 환원, 2차전지등의 효율을 지배하는 물리/화학적 요인을 이론적으로 이해하여 성능 극대화

5. 연구지원 정보
 ○ 2017 ~ 2021 과학기술정보통신부 해외우수과학자유치사업
 ○ 2018 ~ 2023 과학기술정보통신부 이공분야기초연구사업
 ○ 2020 ~ 2022 과학기술정보통신부 한-중 협력연구사업



<권익선 연구교수, 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 광전자신소재연구소
 ○ 전 화 : 044-860-1490
 ○ 메 일 : bbuli12@korea.ac.kr

2. 학력
 ○ 2010.03 - 2015.02 고려대학교 학사 (신소재화학과) 
 ○ 2015.03 - 2018.08 고려대학교 석사 (미세소자공학) 
 ○ 2018.09 - 2021.08 고려대학교 박사 (신소재화학과) 
 
3. 경력사항 
 ○ 2021.09 - 현재  고려대학교 광전자신소재연구소 연구교수 재직중 

4. 전문분야 정보
○ 2차원 나노소재 합성 및 물리화학적 특성 연구
○ 수소에너지 촉매 개발



<곽인혜 연구교수, 공동 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 광전자신소재연구소
 ○ 메 일 : inhye318@korea.ac.kr

2. 학력
 ○ 2010.03 - 2014.02 고려대학교 학사 (신소재화학과) 
 ○ 2014.03 - 2016.02 고려대학교 석사 (신소재화학과) 
 ○ 2016.03 - 2020.08 고려대학교 박사 (미세소자공학) 
 
3. 경력사항 
 ○ 2020.09 - 현재  고려대학교 광전자신소재연구소 연구교수 재직중 

4. 전문분야 정보
 ○ 2차원 나노소재 합성 및 물리화학적 특성 연구
 ○ 수소에너지 촉매 개발

5. 연구지원 정보
 ○ 2020 ~ 2022 한국연구재단 박사후국내연수지원사업



<Tekalign Terfa Debela 연구교수, 공동 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 전주대학교 소재응용연구소
 ○ 메 일 : debelatt@gmail.com

2. 학력
 ○ 2003.09 - 2006.07 Arba Minch University 학사 (물리학) 
 ○ 2008.09 - 2010.07 Arba Minch University 석사 (물리학) 
 ○ 2011.09 - 2014.12 Zhejiang University 박사 (재료과학 및 공학) 

3. 경력사항 
 ○ 2006.11 - 2008.8 Dire Dawa University, Lecturer/Graduate Assistant 
 ○ 2015.03 - 2017.3 Northwestern polytechnical University, 박사후연구원
 ○ 2017.05 - 현재  전주대학교 소재응용연구소 연구교수 재직중 

4. 전문분야 정보
 ○ 에너지 응용을 위한 2D 재료의 발견 및 특성 최적화



<김주연 박사과정, 공동저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 미세소자공학협동과정
 ○ 메 일 : kjy92893@gmail.com

2. 학력
 ○ 2013.3 - 2018.2 전주대학교 학사 (나노신소재공학) 
 ○ 2018.3 - 2020.2 전북대학교 석사 (나노과학기술학) 

3. 경력사항 
 ○ 2020.3 - 2021.2 전주대학교 소재응용연구소 특별연구원
 ○ 2021.9 -  현재 고려대학교 박사과정 (미세소자공학) 

4. 전문분야 정보
 ○ 에너지 응용을 위한 2D 재료의 발견 및 특성 최적화



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