'귀금속' 대신 '전이금속' 쓴다… 韓 연구진, 그린수소 '산소발생 촉매' 효율 25% 높여

고가의 귀금속 촉매를 대체해 그린수소 생산 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 전기화학 촉매 설계법이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 전이금속 텔루륨화합물의 상변화와 계면을 정밀하게 제어하는 방식으로, 기존 상용 촉매보다 25% 향상된 성능과 안정성을 확보했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 홍익대학교 이원규, 송봉근 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 김인수 박사팀이 공동연구를 통해 이 같은 성과를 거뒀다고 4일 밝혔다.


수전해(물 전기분해) 방식의 그린수소 생산은 산소발생반응(OER)의 효율이 관건이다. 이 과정은 높은 과전압을 필요로 해 이리듐 옥사이드 등 값비싼 귀금속 촉매가 주로 사용돼 왔다. 최근 전이금속 칼코겐 화합물(TMDs)이 대체재로 주목받았으나, 산소 중간체들이 표면에 잘 붙거나 떨어지지 않아 촉매 역할에 한계가 있었다.

공동연구팀은 차세대 반도체 물질인 몰리브덴 다이텔루라이드(MoTe₂)의 상변환(반도체성 2H상→금속성 1T′상)과 결함을 조절하는 방식으로 새로운 기저 촉매(MoTex)를 만들었다.

이렇게 만든 촉매는 니켈 수산화물(Ni(OH)₂) 나노입자와 결합해 독특한 이종접합구조를 이뤘으며, 그 결과 값비싼 귀금속 촉매보다 우수한 산소발생반응 성능을 보였다.


전기화학적 분석 결과, 새 촉매는 190mV의 낮은 과전압에서 10 mA·cm⁻²의 전류밀도를 기록했다. 이는 상용 귀금속 촉매인 이리듐 옥사이드 대비 약 25% 향상된 성능이다. 또한 기저촉매와 금속 수산화물 사이의 강한 결합으로 150시간 이상의 장기 안정성도 확보했다.

연구팀은 밀도범함수 이론(DFT)과 머신러닝 기반 원자 간 포텐셜(MLIP)을 결합한 이론적 방법론을 통해, 결함이 포함된 금속성 1T′ 도메인이 금속 수산화물 표면에 정공 축적을 유도, 산소 중간체 흡탈착에 유리한 국지적 전하분포를 형성함을 증명했다.

연구팀이 제시한 설계법은 상변환 가능한 모든 전이금속 화합물 기반 산소발생반응용 촉매 개발에 폭넓게 활용 가능한 범용 합성법으로 평가된다. 하이드라진 산화반응용 촉매로도 활용 가능해 로켓추진체 및 반도체 공정에도 적용할 수 있다.

이원규 교수는 “탄소중립과 지속가능한 에너지 전환을 앞당길 핵심 기반 기술”이라며 “후속 연구로 대면적 전극에서의 성능과 안정성을 확보해 상용 가능한 시스템으로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구사업의 지원으로 수행됐다.