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건국대학교 화학공학과 김기출 교수 연구팀이 NiPS3(삼황화린니켈) 단층 소재의 결함을 제어해 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 밝혔다.

수소 발생 촉매 중 가격이 합리적이며 생산 과정 동안 안정적인 구조를 유지하는 2차원 전이 금속 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 단층 ‘전이 금속 인 트리칼코게나이드’의 종류 중 하나인 NiPS3는 고유한 2차원 반강자성으로 인해 주목받고 있다. 하지만 NiPS3의 반도체 특성과 기저면의 불활성으로 효율이 낮아 이를 높이기 위한 연구가 필요한 실정이다.

촉매 결함은 분자 구조 중 일부 원자를 제외하는 것으로, 수소 발생 촉매의 효율을 향상시키기 위해 많이 적용되고 있는 방법 중 하나다. 그럼에도 불구하고 촉매 결함의 위치 및 결함 개수 등에 따른 체계적인 촉매 결함 구축에 대한 연구는 여전히 부족하다.

이번 연구에서는 NiPS3 단층 표면의 니켈과 황 자리에 체계적으로 결함을 도입해 수소 발생 반응 촉매 성능에 미치는 영향을 규명했다.

연구팀이 밀도 범함수 이론 계산을 활용해 결함 생성의 열역학적 안정성과 수소 발생 반응 메커니즘의 상관관계를 분석한 결과, 니켈과 황 자리의 공동 결함이 가장 효과적으로 촉매 성능을 향상시켰다.

니켈과 황 자리의 공동 결함에서 물 분자가 황 결함 자리에 물리 흡착된 후 OH와 H가 각각 황, 니켈 결함에 해리되는 과정이 반응 열역학을 크게 개선하는 핵심 요인으로 확인됐다. 또 니켈과 황 공동 결함 구조에서 물 분자의 해리 흡착 과정의 활성화 장벽이 매우 낮아, 반응 속도에서도 이점을 제공한다는 사실도 밝혔다.

이는 결함을 도입함으로써 물 분자의 흡착 해리와 해리된 수소 이온의 전기화학적 흡착 과정이 크게 촉진되기 때문인 것으로 분석된다. 전자 구조 분석을 통해 결함이 소재의 전자 구조를 변화시켜 촉매의 성능을 향상시킨다는 것을 규명한 것이다.

이번 연구 성과는 ‘전이 금속 인 칼코게나이드’ 기반 고활성 수소 발생 촉매 개발을 위한 결함 공학 전략을 제시했다는 데 큰 의미가 있으며, 향후 다른 칼코게나이드 단층 소재에 확장 적용해 수소 경제 실현에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 및 한국산업기술진흥원의 지원으로 수행됐다. 해당 연구 논문은 ELSEVIER에서 출간하는 전기화학 분야 최상위 국제 학술지 ‘eScience(Scopus Cite Score=33.7)’의 표지 논문으로 2024년 6월 출판됐다.