수소를 생산할 수 있는 새로운 방법이 제시됐다. 수소 경제 핵심인 수소를 생산하는 친환경적 방법으로 ‘물의 전기분해’가 꼽힌다. 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 나누는 원리이다. 여기에는 반응을 돕는 ‘촉매’가 필요하다. 기존 귀금속 촉매를 대체하는 값싼 비귀금속 촉매 연구가 활발하다. 이런 가운데 국내 연구팀이 촉매 구조의 ‘빈틈(vacancy)’을 이용하는 방법을 제시해 눈길을 끈다.

유니스트(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·이준희 교수 공동연구팀은 전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’가 가지는 빈자리 결함(vacancy)을 조절해 수소 발생 반응이 촉진되는 원리를 밝혔다. 연구팀은 이셀레나이드 몰리브덴을 실시간으로 합성하면서 빈자리 결함을 정교하게 조절했다. 값비싼 후처리 공정을 거치지 않고도 수소 생산 반응에 알맞은 빈자리 결함을 만들어냈다.

둘 이상의 원자가 합쳐진 물질은 각 원자가 규칙적으로 쌓여 결정(結晶)을 이룬다. 이때 규칙적 구조 사이에 원자 빈자리가 생길 수 있다. 학문적 용어로는 ‘빈자리 결함’이라 한다. 이런 ‘빈자리 결함’을 가진 물질을 촉매로 쓰면 화학반응을 촉진할 수 있다.

전이금속 기반 촉매인 ‘이셀레나이드 몰리브덴(MoSe₂)’ 등은 물의 전기분해에서 수소 발생을 돕는다. 이 촉매에 후처리 공정을 하면 인위적으로 빈자리 결함을 만들어낼 수 있다. 이때 수소 생산 효율이 높아진다. 후처리 공정이 들어가면 전체 합성 과정이 복잡해져 공정비용이 높아진다는 한계가 있었다.

연구팀은 이셀레나이드 몰리브덴을 합성하는 박막증착공정(CVD)에서 ‘후처리 공정 없이’ 단번에 빈틈, 즉 빈자리 결함을 도입하는 데 성공했다. 이 방법으로 합성한 촉매의 활성도를 측정한 결과 수소 발생 반응의 중요한 지표 중 하나인 타펠 기울기(Tafel slope)가 귀금속인 백금 촉매에 가깝게 나타났다. 타펠 기울기 값이 작을수록 수소 발생 반응이 잘 일어난다. 연구팀이 합성한 촉매의 타펠 기울기는 전이금속 기반 촉매(TMDs) 단독 물질로는 최저값을 기록했다.

박혜성 교수는 “이번 연구는 이차원(2D) 물질 합성뿐 아니라 수소 발생 촉매 발전에 있어 중요한 연구”라며 “빈자리 결함을 제어해 새로운 2D 물질을 만들어내고 귀금속 촉매를 대체할 비귀금속(전이금속) 기반 수소 발생 촉매를 연구하는 데 많은 도움이 될 것”이라고 말했다.