홍익대 연구팀, 이셀레늄화 백금 (PtSe2)의 전자분포도 변조를 통한 초저전압 구동 촉매 설계 원리 도출

반도체 소자 개발에 있어 소자의 집적화가 점점 고도화됨에 따라 초박막 구조상에서 뛰어난 전기적, 광학적 특성을 보이는 2차원 물질에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 대표적 소재인 그래핀은 뛰어난 전기적, 기계적 특성에도 불구, 닫힌 밴드갭 (bandgap)의 양자역학적 밴드구조 (band structure)로 인하여 다양한 광/전자소자로의 응용에 한계점을 가진다. 반면, 전이금속 칼코겐 화합물 (transition metal chalcogenides)의 경우 층간 구조, 불순물 도핑 및 변형률 조절 등의 기작을 통하여 해당 재료군의 밴드 구조를 변조하여 다양한 차세대 반도체 소자로의 응용가능성을 가진다.     

홍익대학교 신소재공학과 이원규 교수팀은 이러한 전이금속화합물의 전기화학적 활성 및 반응성을 극대화할 수 있는 실험적 이론적 방법론 개발에 집중하여 왔으며, 이를 바탕으로 차세대 수전해 시스템, 이차전지 및 연료전지 등의 에너지 소자로의 응용가능성을 모색하여 왔다. 최근 해당 연구팀은 그룹 10족 전이금속화합물의 일종인 이셀레늄화 백금 (PtSe2)의 변형률 조절을 통한 초저전압 구동 수전해 시스템 개발을 달성, 해당 연구성과를 국제 저명 학술지 ‘ACS Nano’에 발표하였다. PtSe2는 기존 전이금속화합물 대비 높은 전하 이동도 (carrier mobility) 및 밴드 구조의 극적인 변조가능성으로 인하여 주목받고 있다. 특히, 해당 소재는 디락 반금속 (Dirac semimetal) 밴드 구조상의 반도체-금속 전이 (semiconductor-to-metal transition)을 통하여 광전자소자에서 전기화학적 촉매에 이르는 다양한 응용사례를 창출하고 있다. 

이원규 교수 연구팀은 PtSe2 격자 내부의 인장 변형이 전도대 (conduction band)와 가전도대 (valence band)의 재배치를 통한 밴드갭 감소 및 겹침 (overlapping)을 유도하며, 이에 기반한 층간 상호작용이 해당 재료의 전기화학적 활성 및 반응성 상승에 기여할 수 있다는 실험적/이론적 선행연구결과들에 주목하였다. 연구팀은 다층 PtSe2를 열가소성 기판상에 기계적 전사, 표면 나노주름구조 형성에 따른 내부 변형률을 유도하여 전기화학적 수소발생반응을 최적화할 수 있는 밴드 재구조화를 실험적으로 달성하였다. 연구팀은 해당 촉매구조체를 기반으로 한 초전압 구동의 랩 스케일 2전극 수전해 시스템을 구축, 그 응용가능성 및 안정성을 입증하였다. 나아가, 해당 연구팀은 간단한 양이온 교환막 (proton exchange membrane, PEM) 상에서의 전기화학적 특성 분석을 통하여 상용화 단계의 전해조 시스템으로의 적용 가능성을 제시하였다. 

공동연구를 진행한 경희대학교 응용화학과 김민호 교수 연구팀은 밀도범함수 이론 (density functional theory)을 통하여 변형률 조절을 통한 다층 PtSe2의 밴드구조 변조와 전기화학적 반응성 상승을 원자 수준에서 계산하였다. 해당연구팀은 PtSe2에 인장응력이 인가됨에 따라 전도대와 가전자대의 겹침이 점차 증가하며, 이는 Pt 와 Se 원자의 상태 밀도 (density of state) 재배치에 따른 수소 원자 흡착의 극대화를 유도할 수 있음을 이론적으로 검증하였다. 해당 연구결과는 변형률 조절을 통한 디락 반금속 기반 촉매 성능 향상의 원리를 양자론적 관점에서 규명했다는 의의를 갖는다.

연구 책임자인 이원규 교수는 “이번 연구는 전이금속화합물, 특히 디락 반금속성 소재의 변형률 조절을 통한 전기화학적 특성변화를 양자론적 관점에서 이해하였다”며, “추후 PEM 전해조 환경에서의 촉매의 장기적 안정성과 성능을 심층적으로 분석하여 산업화를 위한 연구를 지속할 예정”이라고 소감을 밝혔다.

마지막으로 이원규 교수는 연구자의 길을 꿈꾸는 홍익대 학생들에게 조언을 전했다. 그는 “모든 연구는 실패로부터 시작합니다. 인내를 갖고 실패로부터 해결책을 모색하는 과정에서 의미있는 결과가 도출됩니다. 그러한 과정들을 축적하며 사회에 도움이 될수 있는 엔지니어와 연구자로 성장해 나갈 수 있습니다.”라며, 연구에 대한 끈기와 도전 정신의 중요성을 강조했다.

해당 연구는 홍익대학교 신소재공학과의 전호태 석사과정과 경희대학교 응용화학과의 권희정 석사과정, 신소재공학과의 이재현 석사과정이 공동 제1저자로서 참여하였으며, 홍익대학교의 학술연구진흥비, 한국연구재단의 우수신진연구사업, 한국기초과학지원연구원의 신진 인프라사업의 지원을 받아 수행되었다.

논문 제목: Strain-Enabled Band Structure Engineering in Layered PtSe2 for Water Electrolysis under Ultralow Overpotential

논문 DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18077

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그림1. (위에서부터) 투과/주사 전자현미경을 통한 촉매/전극구조 관찰 및 전기화학적 특성/안정성 분석결과. 

그림2. (위에서부터) 변형률 조절에 따른PtSe2 밴드 재구조화 및 상태 밀도 변조에 따른 이론적 계산결과.

그림3. (위에서부터) 구조화된 PtSe2 촉매의 막 전극 접합체 (membrane electrode assembly) 제작 모식도, 제작된 접합체의 광학 현미경 이미지, 비커셀 (beaker-cell) 기반 양성자 교환막 전해조 (PEM electrolyzer) 모식도 및 전압-전류 곡선 (구동 환경: 80℃).

(왼쪽 위에서부터) 전호태 석사과정 (제1저자), 권희정 석사과정 (제1저자), 이재현 석사과정 (제1 저자), 이원규 홍익대 신소재공학과 교수 (교신저자), 김민호 경희대 응용화학과 교수 (교신저자), 김인수 KIST 수석연구원 (교신저자)

온라인커뮤니케이션실 이은수 기자