본교 연구팀, 전이금속화합물의 상변환 기반 수전해 촉매 설계론 제시

반도체 소자의 집적화가 고도화됨에 따라 초박막 구조에서 독특한 전기적·광학적 특성을 발현하는 2차원 물질 연구가 활발히 이루어지고 있다. 대표적 소재인 그래핀은 우수한 전기적·기계적 특성에도 불구, 밴드갭이 없는 양자구조로 인해 다양한 광·전자 소자로의 응용에 한계가 있다. 이에 반해 전이금속 칼코겐 화합물 (transition metal dichalcogenides, TMDs)은 결함 도입, 불순물 도핑, 상전이 및 변형률 조절 등을 통해 표면전자구조를 폭넓게 변조할 수 있어 차세대 반도체 및 에너지 소자 활용에 큰 잠재력을 갖는다.

본교 신소재공학과 이원규 교수팀은 차세대 청정에너지 기술의 핵심인 수전해 시스템용 TMDs 촉매개발연구를 진행해왔다. 해당 연구팀은 이텔루륨화 몰리브덴 (MoTe₂)의 변형률 조절 및 이에 따른 국부적 상변환을 유도, 전기화학적 수소발생 촉매-전극 설계 방법론을 제시한 바 있다. 그러나 해당소재군의 경우, 산화물기반 촉매표면 대비 산소중간체 흡탈착에 있어 불리한 표면전자구조를 갖는다는 한계점을 갖는다. 일반적으로 수소발생반응 대비 높은 과전압을 요구하는 산소발생반응의 경우, 기존의 귀금속 촉매를 대체하기 위한 전기화학 소재 개발의 핵심 연구주제이다. 이 교수 연구팀은 상변환된 MoTe2와 금속 수산화기의 이종 접합구조 도입을 통한 산소발생반응용 촉매설계론을 제시, 해당 성과를 지난 10월 23일 세계적 전통과 권위의 국제 화학 학술지 Journal of the American Chemical Society (JACS)에 발표하였다.

그림1. (위에서부터) MoTex/Ni(OH)₂ 이종구조 형성 모식도 및 투과전자현미경 기반 분석

해당 연구팀은 기계적으로 박리된 MoTe₂ 표면의 Te원자를 선택적으로 용해, 반도체 성질을 가진 2H 상과 금속성의 1T’상이 공존하는 복합상 MoTex 기저 촉매를 제작하였다. 복합상 표면구조에서의 니켈 수산화물 (Ni(OH)₂) 나노입자의 성장은 전기화학적으로 안정적인 이종접합 계면를 형성하였으며 (그림 1), 이는 이리듐 옥사이드 이상의 산소발생반응을 장시간 유지할 수 있는 촉매특성을 달성하였다. 연구팀은 나아가 해당 이종구조를 전해조 전극 시스템에 적용, 전체 수전해 시스템에서의 확장가능성 및 실용성을 입증하였다. 공동연구를 수행한 홍익대학교 화학공학과 송봉근 교수 연구팀은 표면현상의 근본 원리를 원자 수준에서 규명하기 위해 첨단 계산 기법을 도입하였다. 연구팀은 기계학습과 밀도범함수 이론을 결합, 복합상 MoTex 표면과 Ni(OH)₂ 이종계면에서의 전자구조를 빠르게 탐색하고 이를 기반으로 산소중간체의 효율적 흡탈착을 위한 활성화 사이트의 구조를 예측하였다.

그림2. (위에서부터) MoTex/Ni(OH)₂ 이종구조에서의 산소중간체 흡착 자유에너지 및 상태밀도의 이론적 예측.

연구 책임자인 이원규 교수는 “이번 연구는 TMDs의 상변환 기반 전기화학 촉매설계론을 제시하였다는 점에서 의미를 갖는다”며, “향후 전극-촉매 일체형 수전해 시스템 적용으로의 연구를 지속할 것”이라고 전했다. 해당 연구는 홍익대학교 신소재공학과의 한준휘 석사과정과 화학공학과의 남명균 석사과정, 신소재공학과의 신승훈 석사과정이 공동 제1저자로서 참여하였으며, 홍익대학교의 학술연구진흥비, 한국연구재단의 우수신진연구사업, 한국기초과학지원연구원의 신진 인프라사업의 지원을 받아 수행되었다.

(왼쪽 위에서부터) 한준휘 석사과정 (제1저자), 남명균 석사과정 (제1저자), 신승훈 석사과정 (제1 저자), 이원규 홍익대 신소재공학과 교수 (교신저자), 송봉근 홍익대 화학공학과 교수 (교신저자), 김인수 KIST 책임연구원 (교신저자)

이원규 교수는 “이번 연구에서는 누구나 접근할 수 있는 간단한 실험적 방법론을 바탕으로 범용적 연구 성과를 도출하는 것을 중시했다”며, 연구자의 꿈을 꾸는 본교 학우들에게 본교에서 세계적인 연구를 하고 커리어를 개척해나가는 용기를 가질 것을 전했다.

논문 제목: Efficient and Stable Electrocatalytic Oxygen Evolution from MoTex/Ni(OH)2 Heterostructures

논문 DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c15520

연구재단 뉴스링크: https://eng.nrf.re.kr/page/bab7993f