이용걸 단국대 교수팀, 체코과학원과 공동 연구 수행
'분자선 에피택시' 공정 도입...나노 수준의 복합구조 구현
단국대학교는 이용걸 화학공학과 교수 연구팀이 반도체 제조 공정을 활용해 수소 생산 효율을 2배 이상 높일 수 있는 고성능 전극 촉매 원천기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
이번 연구에는 이 교수팀 외에도 팀 베르하겐 체코과학원 물리학연구소 박사팀이 참여했다. 이들은 물을 전기분해해 수소를 생산하는 데 필요한 핵심부품인 전극 촉매의 성능을 대폭 개선했다.
그동안 수소 생산에는 주로 백금이 촉매로 사용됐으나 가격이 비싸 대량 생산에 한계가 있었다. 최근에는 몰리브덴 다이설파이드(MoS₂)가 귀금속 대체재로 주목받았지만, 전기가 잘 흐르지 않고 실제 촉매 반응이 일어나는 활성 지점이 적다는 점이 문제로 지적됐다.
연구진은 이 문제를 해결하기 위해 전극 촉매에 반도체 제조 기술인 '분자선 에피택시'(MBE) 공정을 도입했다. 이 기술을 활용해 실리콘 기판 위에 금속 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴 다이설파이드를 초진공 상태에서 원자 단위로 정밀 증착했다. 이를 통해 나노 수준의 균일한 복합구조를 구현하는 데 성공했다.
새로 개발된 촉매는 전기 전도성을 높이고 수소 발생 반응이 일어나는 활성 지점을 크게 늘린 것이 특징이다. 기존 촉매와 비교해 수소 생산 효율이 약 2.3배(126%) 향상됐으며 장기 구동 시에도 높은 안정성을 유지했다. 특히 반도체 공정과 높은 호환성을 보여 향후 웨이퍼 규모의 전극 제작과 고성능 수소 생산 시스템으로 확장할 수 있는 가능성을 제시했다.
이 교수는 "이번 연구는 기존 용액 기반 합성이나 화학기상증착(CVD) 공정으로는 구현하기 어려웠던 구조와 전자, 촉매 성능의 인과관계를 명확히 규명했다는 점에서 의미가 크다"며 "차세대 촉매 설계와 공정 최적화를 통해 수소에너지 대량 생산 기반 구축에 도움 될 수 있을 것"이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구와 한-EU 연구자 교류협력 사업의 지원을 받아 수행됐다.
독자들의 PICK!
연구 결과는 'Controlling Mixed Mo/MoS2 Domains on Si by Molecular Beam Epitaxy for the Hydrogen Evolution Reaction'(수소 제조를 위한 분자선 에피택시 기반 복합 Mo/MoS₂ 촉매 도메인 정밀 제어)이라는 제목으로 재료과학 분야 국제학술지 'ACS Nano'(JCR 상위 6%, IF=16.1)에 게재됐다.
