저비용·고성능 그린수소 생산 전기촉매 개발

에너지과학기술대학원 신혜영 교수 연구팀과 성균관대 김정규, 이준영 교수팀이 신규 2차원 소재인 멕신(MXene) 표면에 니켈인화물(Ni₂P) 나노입자를 성장시킨 이종접합 소재를 설계해 2,000시간 구동에도 성능 저하 없는 저비용·고성능 그린수소 생산 전기촉매 개발에 성공했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘Small’(IF: 15.153)의 11월 표지논문으로 선정됐다.(논문 제목: Interfacial Strain-Modulated Nanospherical Ni₂P by Heteronuclei-Mediated Growth on Ti₃C₂Tx MXene for Efficient Hydrogen Evolution)

탄소배출 없는 친환경 그린수소 생산을 위해서는 전기화학적 물 분해반응을 활성화하는 저비용·고성능의 전기촉매 소재 기술이 필요하다.

기존 수소 생산 반응에는 활성이 우수한 귀금속 기반 촉매가 사용됐지만, 높은 가격이 산업화의 걸림돌로 작용했다. 그 대안으로 비교적 값싼 전이금속 기반의 촉매 개발이 추진되고 있지만, 낮은 촉매 활성과 낮은 안정성이 한계로 지적되고 있다.

이에 연구팀은 전기 전도도가 높고, 전기화학적 안정성이 뛰어난 2차원 물질인 멕신(MXene) 표면에 의도적인 결함을 일으키고, 그 위에 촉매 소재인 니켈인화물을 이종핵 성장시키는 방법으로 수소 발생 성능이 우수한 금속인화물-멕신 하이브리드 수전해 촉매 소재를 합성했다.

또, 새로운 촉매 소재가 약 2,000여 회 반복 측정과 24시간 연속 구동에도 높은 안정성을 나타냄은 물론, 산성과 중성, 알칼리 조건 모두에서 우수한 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 보이는 것을 확인했다.

공동 연구팀은 시뮬레이션을 통해 니켈인화물 표면의 스트레인(strain)이 니켈인화물의 결합 길이를 변화시키고, 반응 중간 생성물의 흡착 에너지 변화를 촉진함으로써 고활성의 수소 발생 반응을 효과적으로 유도함을 확인했다.

이번 연구 성과는 물을 전기분해해 탄소배출 없이 그린수소를 생산하는 미래에너지 기술을 제시한 것으로 멕신(MXene)의 가공법에 따라 기존 촉매 소재의 단점을 극복한 고활성·고안정성 촉매 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.

공동 연구팀은 “전기화학 반응에 활용할 수 있는 다기능 촉매 소재 개발을 위해 멕신(MXene) 소재의 조성을 다양하게 탐구하고, 표면 작용기를 조절하는 등의 지속적인 연구가 필요하다”고 설명했다.

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1002/smll.202204797

□ 신혜영 교수 홈페이지: https://hyshin07.wixsite.com/cemd