광주과학기술원(GIST)은 김봉중 신소재공학부 교수팀이 수소 생산 효율을 3배 이상 획기적으로 높여 수소 연료전지 등의 발전을 가져올 촉매 제조기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
김 교수팀은 열역학적 상분리 현상을 이용해 비스무스 바나데이트 표면에 균일하게 분포한 고밀도 이황화주석 나노입자를 결착시키는 신개념 담지형 촉매를 제작했다고 24일 밝혔다.
담지형 촉매는 촉매 활성 물질인 금속·금속 산화물 등을 산화물·탄소 등의 비활성 물질 등 고체 지지체 표면에 분산시키거나 결착시켜 만든다. 산화물 지지체를 이용한 금속 촉매 입자의 엑솔루션(고온 환원 분위기를 줬을 때 특정 산화물 기판 또는 지지체에서 특정 금속 성분이 분리돼 기판 표면으로 나오는 현상)은 촉매 입자가 지지체 표면에 박혀 있게 돼 고온에서도 조대화(다결정재를 고온에서 가열함으로써 결정 입자가 커지는 현상)가 일어나지 않아 고온 촉매 반응과 재생에너지 응용에서 매우 중요하게 여겨져 왔다.
엑솔루션 현상은 고체의 산화물 기판에 금속 원소를 도핑한 뒤 환원 환경에서 고온의 열처리를 통해 일어난다. 이러한 기존 방식은 고상 기판 내에서 금속 원소의 느린 확산 속도로 인해 극히 일부의 금속 원소만이 빠져나오게 돼 많은 양의 촉매 입자를 기판 위에 생성하기 어렵고 빠져나온 금속 원소로 산화물 기판의 구조적 결함을 유발하게 된다.
산소와 강하게 결합하는 금속들은 지나치게 강한 환원 환경에서만 엑솔루션돼 산화물 기판을 분해시키게 된다. 따라서 활용 소자의 활성과 내구성이 급격히 떨어져 촉매 기술의 한계로 지적돼 왔다.
연구팀은 공융 용해와 공융 상분리라는 열역학적 상변화 현상을 이용했다. 먼저 비스무스 바나데이트기판을 졸-젤 법으로 결정화시킨 후 원자층 증착법을 이용해 이황화주석을 섭씨 200도에서 증착했다. 이 온도는 비스무스 바나데이트와 이황하주석 화합물의 공융 용해 온도보다 높아서 두 물질을 액상으로 만들고 이후 샘플을 상온으로 낮췄을 때 공융 상분리 현상으로 두 물질은 다시 분리된다. 이때 이황화주석은 비스무스 바나데이트 기판 표면에 박혀 있는 입자 형태로 존재하게 된다.
연구팀은 실시간 X선 회절과 실시간 투과전자현미경 기법을 이용해 온도를 증가시키며 관찰했을 때, 회절 콘트라스트와 회절점이 사라져 비스무스 바나데이트와 이황화주석 두 물질이 액상 화합물로 변화하고 다시 온도를 상온으로 낮추었을 때 두 고상 물질로 분해된다는 것을 확인했다.
비스무스 바나데이트와 이황화주석 표면의 결함에 비정질 황화아연을 얇게 코팅함으로써 빛에 의해 생성된 전자와 홀의 재결합을 억제하고 비정질 층의 얕은 에너지 준위를 이용해 두 물질을 빠르게 이동시켰다. 그 결과 비스무스 바나데이트 단일 광전극에 비해 3배에 가까운 효율 향상을 보였고, 24시간 동안 효율의 감소를 10% 이내로 억제할 수 있었다.
김봉중 교수는 “이번 연구 성과는 한계에 봉착한 담지형 촉매 기술 분야에 새로운 활로를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “수소 생산 효율을 획기적으로 높임으로써 향후 전기자동차 등에 필요한 수소 생산 또는 가스 센서, 가스 개질, 연료전지 등 다양한 분야에서 개선을 가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
