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다공성 금속 기반 신개념 그린수소 촉매 개발

고안정성 Ni, Fe 금속-유기 구조체로 물 산화 촉매 효율 향상

다공성 금속 기반 신개념 그린수소 촉매 개발 - 산업종합저널 화학
좌측부터 박선아 교신저자, 신혜영 교신저자, 김민석 제1저자, 정재우 제1저자

다공성 금속 기반의 신개념 그린 수소 촉매가 개발됐다.

포항공과대학교 박선아 교수, 충남대학교 신혜영 교수 연구팀은 금속 유기 구조체에 철을 원자 단위 비율로 개질해, 물 산화 반응의 성능을 크게 높이고 실시간 라만 분광법을 통해 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

금속 유기 구조체(MOF)는 금속과 유기물이 결합해 다공성 구조를 형성하는 물질로, 수소 등 에너지 저장 분야에서 활발한 연구가 이뤄지고 있다.

연구팀은 MOF에 다양한 금속 원자를 도입하는 방법으로 물 산화 활성에 접근했다.

다공성 금속 기반 신개념 그린수소 촉매 개발 - 산업종합저널 화학

금속과 유기물이 규칙적인 기공 구조가 반복되는 MOF의 결정 구조를 활용, 다른 금속 활성화 자리를 구획화된 구조에 도입한 것이다.

이렇게 원자 단위의 설계를 통해 이성분계 MOF를 합성했으며, 특히 니켈, 철 기반 MOF에서는 물 산화 반응에 필요한 과전압을 크게 저감해 기존 금속 산화물에 버금가는 성능을 확보했다.

해당 결과를 실시간 라만 분광법 및 밀도 함수 이론을 통해 촉매 활성 원인을 이론적으로 증명했다.

박선아 교수는 "MOF를 합성해 안정적이고 효율적인 전기화학 촉매를 개발하고, 촉매의 향상된 성능을 화학적으로 규명해 다른 전기화학 촉매 설계에도 기여할 수 있다"라며 "기존 산화물 기반 촉매에서 복잡하게 해석됐던 이성분 시스템에 대한 해석을 단순하고 명확하게 제시했다는 점에서도 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료 과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 5월 22일 게재됐다.


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