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본교 연구팀, 나노 소재의 결함 및 변형률 조절 기반 청정 에너지 시스템 개발
이원규-송봉근 교수 연구팀, 이텔루륨화 니켈 (NiTe₂) 기반 이종복합 나노 구조체 형성을 통한 이중기능성 촉매 개발
본교 이원규 (신소재공학과), 송봉근 (화학공학과) 교수 연구팀이 니켈 다이텔루라이드를 활용하여 산소발생반응과 수소발생반응 모두에 이용할 수 있는 이중기능 촉매의 합성 및 최적화를 달성하였다. 해당 나노 촉매 구조체는 산소발생반응 기준 이리듐 옥사이드 이상, 수소발생반응 기준 백금 촉매 이상의 초고효율 수전해를 기록하였다. 해당 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘ACS Nano’에 지난 12월 8일 온라인 속보로 게재되었다.
그림1. (위에서부터) 니켈 다이텔루라이드 촉매의 Te 결함과NiOx 형성을 통한 이종구조 형성 모식도 / 투과전자현미경 (TEM)과 원자 해상도 관찰을 통한 구조 분석 및 원소 분포 맵핑 결과.
수전해의 핵심 표면화학반응인 산소발생반응 (Oxygen evolution reaction, OER)과 수소발생반응(Hydrogen evolution reaction, HER)은 재생가능한 전기를 활용하여 구동되며, 이는 이산화탄소를 배출하지 않는 청정 수소 및 산소를 생산하는 방법으로 최근 그 연구의 필요성이 늘어나고 있다. 산업화가능 수준의 수전해의 경우 OER/HER 작업전극의 안정성을 유지하기 위해 염기성 환경에서 주로 진행되며, 이때 이용되는 전기화학 촉매인 백금 및 이리듐, 루테늄 기반 귀금속 촉매는 시스템 수준 전해조의 가격 경쟁력 및 확장성을 제한해오고 있다. 해당 연구팀은 전이금속 칼코겐 화합물의 일종인 이텔루륨화 니켈의 텔루륨 원자를 선택적으로 용해 (dissolution)한 후 중저온 산화공정을 통하여 니켈 텔루라이드-니켈 산화물의 독특한 이종구조를 합성하였다. 연구팀은 해당 이종구조체에 압축 및 인장응력을 나노스케일에서 제어, 염기성 OER/HER 모두를 가능케 하는 이중기능성 촉매설계 전략을 제시하였다. 나아가 해당 촉매기반 수소에너지 시스템의 경우 산업화 가능 수준의 1A/cm2 전류밀도에서 750시간 이상의 연속 수전해를 달성, 그 실용성을 입증하였다.
그림2. (위에서부터) 밀도범함수이론을 통한 NiTex/NiO의 염기성 수용액내 물분자 해리에너지와 수소흡착 자유에너지 계산. 실시간 라만 분석을 통한 수소스필오버 기작분석. 해당 기작에 의한 양쪽성 촉매표면의 전하 재분포 예측 및 기계학습 인터아토믹 포텐셜을 통한 이종복합구조상 활성사이트 비교평가
공동연구를 수행한 본교 화학공학과 송봉근 교수 연구팀 머신러닝 기반 원자간 포텐셜 (machine Learning interatomic potential)과 밀도범함수 이론 (density functional theory)을 결합, 니켈 텔루라이드-니켈 산화물 이종구조에서 물 해리를 기반으로 한 염기성 수전해 반응의 메커니즘을 원자수준에서 규명하였다. 연구팀은 산소 및 수소 발생반응 중간체의 에너지 장벽과 전하이동을 분석함으로써, OER에서는 인접한 니켈 텔루라이드-니켈 산화물 사이의 산소 중간체 스필오버(spillover) 현상이 기존 촉매설계를 위한 스케일링 관계 (scaling relationship)를 넘어서 새로운 수준의 촉매 반응성을 유도함을 밝혔다. 또한, 니켈 텔루라이드 영역에서 물 해리반응을 통하여 생성된 수소가 니켈 결함을 가진 산화물 영역으로 이동, 백금 수준 이상의 HER 반응성을 동시에 구현함을 증명하였다. 이 연구는 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 고성능 이중기능성 수전해 촉매의 작동 원리를 이론적으로 입증한 사례로, 결함 공학과 변형률 제어를 결합한 차세대 촉매 설계 전략을 제시한다.
(왼쪽 위에서부터) 신승훈 석사과정 (제1저자), 조이안 박사과정 (제1저자), 한선경 석사과정 (제1 저자), 이원규 홍익대 신소재공학과 교수 (교신저자), 송봉근 홍익대 화학공학과 교수 (교신저자), 김인수 (미) 아르곤 국립 연구소 책임 연구원 (교신저자)
연구 책임자인 이원규 교수는 “이번 연구는 결함과 변형률 엔지니어링을 통합한 촉매설계 전략이 산업화 가능한 수준의 수전해 시스템에 응용될 수 있음을 보여주는 사례”임을 강조하였다. 그는 “향후 해당 촉매 설계 전략을 양이온/음이온 교환막 전해조나, 알칼라인 공기전지 등과 같은 차세대 청정 에너지 소자에 적용하고자 한다”라고 전했다. 해당 연구는 본교 신소재공학과의 신승훈 석사과정과 화학공학과의 조이안 박사과정, 신소재공학과의 한선경 석사과정이 공동 제1저자로서 참여하였으며, 본교의 학술연구진흥비, 한국연구재단의 우수신진연구사업, 한국기초과학지원연구원의 신진 인프라사업의 지원을 받아 수행되었다.
논문 제목: Strain-Engineered Oxygen-Modified Nickel Telluride/Nickel Oxide Heterostructures for Bifunctional Alkaline Water Electrolysis
