수전해 수소 생산을 위한 고효율 단원자 촉매의 효율적 합성법 개발
문준혁 교수팀 연구 결과 ‘Chemical Engineering Journal’ 게재

▲ 문준혁 화공생명공학과 겸 스마트모빌리티학부 교수

문준혁 교수(화공생명공학과/스마트모빌리티학부) 연구팀이 고효율로 수소를 생산할 수 있는 수전해용 전기화학촉매를 개발했다.

이번 연구 성과는 문준혁 교수 연구팀이 주도했으며, 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 참여로 진행됐다. 해당 성과는 화학공학 분야 최고 권위 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF:15.1, 상위 3.51%)에 4월 3일 온라인에 게재됐다.
* 논문 제목 : Amorphous-Crystalline Transition-Driven Synthesis of Co Single-Atom Catalysts on MoO3 for Enhanced Hydrogen Evolution in Acidic and Alkaline Media,
* 논문 링크 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150976

이산화탄소를 배출하지 않는 지속 가능한 에너지 솔루션으로서, 그린 수소 생산이 주목받고 있다. 물을 전기분해 하여 수소를 생산하는 수전해 기술이 가장 대표적이며, 반응을 촉진하는 전기화학 촉매가 필수적이다. 이 기술을 상업적으로 활용하기 위해, 고가의 귀금속 촉매의 사용을 줄이려는 노력이 진행되고 있으며, 귀금속 원자를 지지체 표면에 낱개로 뿌려 귀금속의 활용도를 극대화하는 ‘단원자(single atom) 촉매’가 주목을 받고 있다.

연구팀은 이번 연구에서 몰리브덴 산화물 지지체에 코발트 단원자가 함침된 촉매를 합성했다. 즉, 비귀금속 단원자를 적용했다. 연구팀은 비귀금속 코발트 단원자에서도 몰리브덴 산화물의 상호작용에 의해 수전해 활성이 많이 증가할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 밝혀냈다.

특히, 연구팀은 단원자 촉매의 형성에 있어 무정형(amorphous) 몰리브덴 산화물에서 결정형(crystalline)으로의 상변화(phase transition) 현상을 이용했다. 즉, 무정형이 갖는 느슨한 격자구조에 단원자를 함침하고 격자구조를 조이는 결정화 과정으로 안정한 단원자 촉매를 손쉽게 형성할 수 있었다.

본 연구팀은 코발트 단원자/몰리브덴 산화물 촉매에서 산성/염기성 용액 모두에서 우수한 전기화학적 수소 발생 반응을 확인했다. 해당 촉매는 모두 0.1 V의 낮은 과전압을 갖는 수소 발생 반응성과 안정성을 보였다.

교신저자인 문준혁 교수는 “비금속 원소 단원자 촉매를 형성하는 손쉽고 효율적인 방법을 제시했을 뿐만 아니라 산/염기에서 모두 안정하고 높은 효율을 갖는 반응성을 얻었다는 데 의의가 있다.”라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업의 지원으로 이뤄졌다.

<그림 1>

▲ (위) 무정형-결정형 상전이에 의한 코발트 단원자/몰리브덴 산화물 촉매의 제작 과정 

    (아래) 코발트 단원자/몰리브덴 산화물 촉매의 전자현미경 사진

<그림 2>

▲ 코발트 단원자/몰리브덴 산화물 촉매에서 수전해 수소가 생산되는 모습