나노 레터스는 미국 화학회(American Chemical Society, ACS)에서 발행하는 학술지로 나노과학기술분야를 대표하는 저널이며 동시에 가장 오래된 저널 중 하나이다.
그렇다보니 수전해용 수소발생 촉매를 연구하는 과학자와 공학자들이 반드시 극복해야 할 기술적 난관으로 남아있었다.
이원규 교수팀은 몰리브덴 이황화물(MoS2)의 응력 조절에 의해 유도된 재료내부의 부분적 상전이 및 결함 조절을 통해 MoS2의 촉매성능을 백금 이상으로 끌어올리는데 성공했다. MoS2는 전이 금속 칼코겐 화합물에 속하는 물질로써 그래핀과 함께 2차원 반도체 재료의 활성층으로 널리 사용되고 있다.
특히 단층 MoS2의 경우 백금 수준의 촉매효율을 달성할 수 있을 것이라 이론적으로 예측돼 왔다. 그러나 단층 MoS2합성을 위한 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), 복잡한 화학적 합성 및 습식 후처리 공정은 해당 촉매재료의 대면적 생산 및 상용화를 가로막는 근본요인이다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 기계적 박리 및 건식 공정만을 통해 폴리스타이렌 고분자 기판을 바탕으로 한 수전해용 작업전극상에 다층 MoS2를 전사했다. 연구팀은 고분자 기판상에 마이크로 주름구조를 형성함으로써 재료 내부에 인장응력을 유도, 반도체상에서 금속상으로의 부분적 상전이를 다층 MoS2에서 발생시켰다.
또한 순환전압전류법에 의한 탈황(desulfurization)공정을 통해 상전이 된 MoS2내 수소 흡착을 위한 반응 사이트를 3차원적으로 형성했다. 연구팀은 라만 분광법과 X선 광전자 분광법을 통해 재료내부에서의 상전이 및 탈황 공정의 시너지 효과가 다층 MoS2상에서 백금 이상의 수전해 촉매효율을 얻는 근본 메커니즘임을 규명했다.
이원규 교수는 “해당 연구결과는 전기화학적으로 그 활용도가 낮은 다층 MoS2를 백금 이상의 수전해 촉매로서 역으로 제안했다는 데에서 그 의미가 크다. 또한 복잡한 진공 장비 및 화학적 합성법 없이 백금보다 월등한 안정성 (stability)의 수전해 촉매를 개발하였다는 것에 의미를 둔다”라고 밝혔다.
해당 연구는 홍익대학교 신소재공학과의 유도현 학부연구생과 이유진 석사과정이 공동 1저자로서 수행했다. 특히 유도현 학생은 학부 1학년부터 이원규 교수팀에 합류, 연구를 진행해 학부생으로는 이례적으로 세계적 권위의 국제학술지에 논문을 등재하는 쾌거를 거두었다.
향후 이원규 교수팀은 실시간 라만 분석법과 오페란도(operando) 투과전자현미경 분석법을 통해 초고효율의 수전해를 가능케하는 다층 MoS2내부 구조를 원자 스케일(atomic scale)에서 관찰할 예정이며 이를 밀도범함수 이론(Density functional theory) 등과 연동해 일반적 모델을 확립할 계획이다.
이번연구는 한국연구재단의 기본연구 및 우수신진연구 사업의 지원을 받아 수행됐다.
[소비자가만드는신문=조윤주 기자]
