저차원 반도체 ‘이황화 텅스텐 (WS2)‘의 표면 재구조화에 따른 차세대 수전해 촉매개발 달성

홍익대학교의 이원규 교수 (신소재공학과), 송봉근 교수 (화학공학과), 한국과학기술연구원 (KIST)김인수 수석연구원의 공동연구성과가 세계적 권위의 국제학술지인 Advanced Materials에 온라인 속보로 게재된다.

최근 대기오염으로 인한 탄소배출권 문제가 대두되는 가운데 친환경적 에너지 생산 방식에 대한 관심이 뜨겁다. 특히 수소 연료는 연소 시 화석연료 이상의 화학적 중량에너지를 이산화탄소의 발생 없이 생산할 수 있어 이상적인 청정 에너지원으로 각광받고 있다. 또 수소 연료는 그 생산 방식에 따라 그레이 수소와 블루 수소, 그리고 그린 수소로 나누어 지는데, 그레이/블루 수소는 화석 연료를 기반으로 하기 때문에 그 부산물로 이산화탄소가 생성된다는 한계점을 갖는다. 그러나 그린 수소는 전기화학적으로 물분자를 산소와 수소로 분해하는 수전해 기술을 활용하기에 수소 에너지 시스템이 지향하는 궁극의 에너지 생산 방식이라 할 수 있다. 이 때, 물의 전기 분해에 필요한 전력을 낮추기 위한 전기화학적 촉매/전극 재료의 개발은 수전해 양산화를 위한 국가차원의 핵심 기술이다. 그러나 현재까지도 지구상에 매장량이 적고 값이 비싼 백금기반 촉매가 그 대부분을 차지하고 있기에 이를 대체할 수 있는 고안정성/신뢰성의 전기화학 촉매 개발에 대한 연구들이 진행되고 있다.

홍익대-KIST 연구팀은 저차원 반도체 재료로서 이황화 텅스텐 (WS2)의 표면 재구조화를 통해 백금 이상의 수전해 효율 및 안정성을 달성할 수 있는 차세대 촉매 개발에 집중하였다. 연구팀은 기계적으로 박리 및 전사된 다층 WS2을 아르곤 (Ar)과 산소 (O2) 플라즈마에 순차적으로 노출시키고 극도의 전기화학적 반응성 및 활성을 갖는 나노 도메인들을 재료표면에 형성시켰다. 연구팀은 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy), 라만 분광법 (Raman spectroscopy), 원자력 현미경 (Atomic force microscopy), 투과전자현미경 (Transmission electron microscopy)등의 다양한 분석기법을 통하여 기존 WS2의 표면구조가 부분적으로 비정질화된 나노 도메인들의 집합체로 재구조화됨을 실험적으로 관찰하였다. 이후 연구팀은 전기화학적 특성 평가를 통하여 플라즈마 표면처리를 통해 형성된 집합적 나노복합구조체 (Collective composite nanostructures)들이 초고효율의 수전해를 초저전압 범위에서 장시간 지속할 수 있음을 증명하였다. 또한, 연구팀은 밀도범함수 이론 (density functional theory)을 통해 실험적으로 관찰된 개별 도메인들의 전기화학적 반응성과 그 활성 증가를 원자수준에서 계산하는데 성공했으며 앞서 실험적으로 관찰한 촉매 반응성을 이론적으로 입증함에 성공하였다.

연구책임자인 이원규 교수는 “본 연구는 간단한 플라즈마 처리를 통하여 초고효율의 전기화학 촉매를 대면적에서 합성할 수 있는 방법론을 제시하였다는 것에 의의를 갖는다. 일반적으로 플라즈마 처리는 반도체 공정에 있어 표면의 불순물 제거나 식각 등에 널리 활용되는 제반시설이다. 그러나 본 연구는 플라즈마 공정에 있어 기존 재료의 구조를 뼈대로 하여 새로운 나노구조체들을 버틈업 (Bottom-up)으로 형성하는 재료합성법 (Templated synthesis)의 일부로 재활용 (Repurpose)했다는 점에서 새롭다”며 연구 소감을 밝혔다. 또한 그는 “재료공학은 재료의 구조 (Structure), 특성 (Property), 공정 (Process)간의 관계를 다루는 학문이다. 본 연구를 수행함에 있어 매우 간단한 공정으로 형성된 재료내부에 아직 이해하지 못한 구조-특성 간의 관계가 많이 남아있다. 특히, 저차원 반도체 구조의 선택적 비정질화 및 무질서도 조절이 차세대 수전해 및 연료전지용 촉매 재료 설계의 핵심이 되리라 확신한다. 비정질 재료의 구조를 체계적으로 분석할 수 있는 이론적 실험적 방법론 정립이 필수적이다” 라며 향후 연구 방향에 대한 의견도 밝혔다.

해당 연구는 홍익대학교 신소재공학과의 박지헌 석사과정과 화학공학과의 조이안 박사과정, 신소재공학과의 전호태 석사과정이 공동 제1저자로서 참여하였으며, 홍익대학교의 학술연구진흥비 및 한국연구재단의 우수신진연구 사업의 지원을 받아 수행되었다.

논문 제목: Conversion of Layered WS2 Crystals into Mixed-Domain Electrochemical Catalysts by Plasma-Assisted Surface Reconstruction

논문 DOI: 10.1002/adma.202314031

그림 1. 

(왼쪽)다층 WS2 기반 촉매 제조 과정 모식도, 

(오른쪽 위)투과 전자현미경 (TEM)으로 촬영한 촉매 구조 및 성분 분포, 

(오른쪽 아래)기존 WS2 기반 촉매들 과의 수전해 성능 비교표.

그림2.

(왼쪽)WS2 표면상에 형성된 나노 도메인들의 이론적 모델, 

(오른쪽)도메인 상 반응 사이트 별 수소 흡착 자유 에너지 및 이론적 교환전류밀도 계산.

(왼쪽부터) 박지헌 학생 (제1저자), 조이안 학생 (제1저자), 전호태 학생 (제 1 저자), 이원규 홍익대 신소재공학과 교수 (교신저자), 김인수 KIST 수석연구원 (교신저자), 송봉근 홍익대 화학공학과 교수 (교신저자)

온라인커뮤니케이션실 권서윤 기자