다공성 금속 기반 신개념 그린수소 촉매 개발

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.


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.