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'모세관현상'으로 '차세대 수소발생 촉매' 약점 해결

UNIST, 액체 알칼리 금속 이용한 금속상 TMD 개발
차세대 수소 발생 촉매로 주목받는 '전이금속 칼코겐화합물(TMD)'의 성능을 개선하는 기술이 개발됐다. 촉매 구조에 액체금속을 스며들게 하는 새 합성법이다. 쉽고 빠르게 촉매의 약점으로 지적돼온 전기전도도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
 
UNIST(총장 이용훈)는 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·곽상규 교수 공동연구팀이 '알칼리 용융 금속(쇳물과 같은 액체금속) 층간 삽입법'을 이용해 TMD를 금속상으로 바꾸는 합성법을 개발했다고 12일 밝혔다. 연구진에 따르면 TMD는 전기전도도가 좋을수록 성능도 향상되는데, 간단한 합성법을 이용해 단시간에 전기전도성이 우수한 금속상으로 바꿀 수 있었다.
 
국내 연구진이 액체 알칼리 금속을 이용해 반도체상 전이금속 칼코겐화합물을 금속상으로 변환하는데 성공했다.<사진=UNIST 제공>국내 연구진이 액체 알칼리 금속을 이용해 반도체상 전이금속 칼코겐화합물을 금속상으로 변환하는데 성공했다.<사진=UNIST 제공>

TMD는 몰리브덴(Mo) 같은 금속 원소와 황(S)과 같은 칼코겐 원소가 결합한 물질이다. 가격이 저렴하고 내구성이 좋아 백금(Pt)을 대신할 '물 전기 분해 반응' 촉매로 연구되고 있다. 이 물질은 하나의 물질 안에 반도체 성질을 갖는 부분과 금속 성질을 갖는 부분이 존재하는데, 상온에서 주로 전기전도도가 떨어지는 반도체상으로 존재한다. 금속상을 갖도록 합성하는 방법이 있지만 시간이 오래 걸리고, 합성된 물질이 다시 반도체상 물질로 돌아가는 한계가 있다.
 
공동연구팀은 액체 알칼리 금속을 TMD에 삽입하는 방법으로 이 물질을 '금속성'으로 합성하는데 성공했다. 가느다란 관 속으로 액체가 저절로 빨려들어가는 '모세관현상'을 이용해 액체 알칼리 금속이 TMD 내부로 잘 전달되게 했다. 이렇게 합성된 TMD는 전체 화합물에서 금속상이 차지하는 비율이 92%로 높았다.
 
새롭게 합성된 TMD는 실제 물 전기 분해 시스템에 적용한 결과 100시간 이상의 작동에도 우수한 성능을 보였다.
 
박혜성 교수는 "차세대 수소 발생 촉매로 주목받고 있는 TMD의 새로운 합성법을 찾아냈다"며 "이차원 물질의 물리적 특성을 규명할 실마리를 제공했을 뿐만 아니라 TMD의 특성을 잘 활용해 수소 발생 촉매 개발에도 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.
 
연구결과는 국제학술지 어드밴스드 메터리얼즈에 지난 6일자 온라인 공개됐다.
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