화학공학과 이준영 교수 연구팀(제1저자 Nguyen Duong Nguyen)은 김정규 교수(성균관대학교)·신혜영 교수(충남대학교)와 협력하여 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 전이금속 기반 소재로서, 신규 2차원 소재인 멕센(MXene) 표면에 니켈인화물(Ni2P) 나노입자를 성장시킨 이종접합을 활용해 저비용·고성능으로 친환경 그린수소 생산이 가능한 전기촉매 소재 연구성과를 보고했다.

탄소배출 없는 친환경 그린수소 생산을 위해서는 전기화학적 물 분해반응을 활성화하는 저비용·고성능 전기촉매 소재 기술이 필요하다. 기존의 수소 발생 반응에는 활성이 우수한 귀금속 기반 촉매가 사용됐지만, 높은 가격이 산업화의 걸림돌로 작용한다. 그 대안으로 전이금속 기반 촉매 개발이 추진되고 있지만, 낮은 촉매 활성과 낮은 안정성이 한계로 지적됐다.

이에, 연구팀은 전기 전도도가 높고 전기화학적 안정성이 뛰어난 2차원 물질인 멕센 표면에 의도적인 결함을 일으키고, 그 위에 촉매 소재인 니켈인화물을 이종핵 성장(Heteronuclei growth)시키는 방법으로 수소 발생 성능이 우수한 금속인화물-멕센 하이브리드 수전해 촉매 소재를 합성했다. 그 결과 2,000회 반복 측정과 24시간 연속 구동에도 높은 안정성을 확보할 수 있었으며, 특히 산성과 중성, 알칼리 조건에서 모두 우수한 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 보였다. 또한 시뮬레이션을 통해 니켈인화물 표면의 스트레인(strain)이 니켈인화물의 결합 길이를 변화시키고, 반응 중간 생성물의 흡착 에너지 변화를 촉진하여 고활성의 수소 발생 반응 촉매 활성을 효과적으로 유도함을 확인했다.

이번 연구성과는 물을 전기분해하여 탄소배출 없이 그린수소를 생산하는 미래에너지 기술을 제시한 것으로, 멕센의 가공법에 따라 기존 촉매 소재의 단점을 극복한 고활성·고안정성 촉매 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구의 성과는 나노소재 분야의 세계적인 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 9월 19일 온라인 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

*Interfacial Strain-Modulated Nanospherical Ni2P by Heteronuclei-Mediated Growth on Ti3C2Tx Mxene for Efficient Hydrogen Evolution (저널: Small, DOI: 10.1002/smll.202204797)

2차원 판상 형태의 MXene 소재 표면에 0차원 구체 형태의 니켈인화물이 이종핵 성장하는 형태를 묘사한 것으로,
하이브리드 소재 계면에 스트레인 발생하여 우수한 그린수소 생산 성능을 확보함.

Small 저널 2022년 11월에 표지논문으로 선정