성균관대, 산성 환경에서 안정적인 전이금속산화물 촉매 개발

▲ 헤테로구조 합성의 단계를 보여주는 스킴 (자료=성균관대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 성균관대학교(총장 유지범) 기계공학과 김태성 교수, 신소재공학과 임병권 교수 및 한국생산기술연구원(원장 이상목) 안치성 선임연구원 공동연구팀은 산성 환경에서 안정적인 전이금속산화물 촉매를 개발했다.

기존의 연구에서는 molybdenum oxide(MoOx)라는 전이 금속 산화물(TMOs)이 수전해의 환원극 반응인 수소 발생 반응(HER)의 촉매 물질로 사용될 수 있음을 시사하는 연구가 발표되고 있다. 이 물질은 산성 환경에서 쉽게 산화될 수 있어서 염기성 환경에서의 사용이 유리하다고 알려져 있다. 그러나 MoOx의 수소 발생 활성은 산성 환경에서 더 효율적이기 때문에 산성 환경에서의 안정성을 확보하는 것뿐만 아니라 활성 효율을 크게 높이는 것이 매우 필요한 실정이다.

이번 연구에서는 산성 환경에서의 MoOx의 약한 HER 성능을 비금속 원자로 도핑된 그래핀과의 이종구조 형성을 통해 향상시켰다. MoOx을 그래핀으로 코팅한 후에 수행된 도핑 공정은 실온에서 진행되었으며, 제조 방법 및 HER 성능 측면에서 이 재료가 HER 응용 분야에서 유망한 재료임을 보여주었다.

▲ 성균관대 기계공학과 김태성 교수(왼쪽), 신소재공학과 임병권 교수 (사진=성균관대)

김태성 교수는 "제안된 이종구조 장치가 HER 응용에서 overpotential 에너지 소비를 크게 줄일 수 있음을 설명하며, 또한, 제안된 촉매의 우수한 장기 안정성을 입증했다"며, "이에 따라 우리의 접근법은 수소 발생 및 다른 촉매 응용을 위한 시너지 효과를 갖는 이종구조 전극 제작에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다."고 설명했다.

연구팀의 연구 결과는 국제학술지 Carbon Energy(Impact Factor: 21.556)에 지난 3월 17일에 출판되었다. 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 및 한국생산기술연구원 지원으로 수행되었다.

※ 논문 정보
- 논문명: A study of highly activated hydrogen evolution reaction performance in acidic media by 2D heterostructure of N and S doped graphene on MoOx
- 저자명: Chisung Ahn, Byungkwon Lim, and Taesung Kim(교신저자), Kubra Aydin, Seongwon Woo(제1저자), Vinit Kaluram Kanade, Seulgi Choi(공동저자)

▲ 헤테로구조와 다른 재료들의 HER 응용 결과를 보여주는 그래프

▲ N과 S로 도핑된 그래펜, MoOx 헤테로구조의 장기 안정성 테스트 결과 그래프

▲ 도핑된 및 도핑되지 않은 헤테로구조의 수소 생산 과정을 보여주는 스킴 (자료=성균관대)