공지사항

화학 이인수 교수팀, ‘니켈-팔라듐-백금’ 더 가까운 수소를 위한 삼총사

Author
POSTECH AIF
Date
2024-01-05 16:44
Views
213
[이인수 교수 연구팀, 위치 선택적 미세증착 공정으로 수소 발생 촉매 효율 향상]

국토교통부에 따르면 2022년까지 등록된 수소차는 약 3만여 대로 2018년과 비교했을 때 약 3배 정도 증가했다. 그러나, 전국에 있는 수소 충전소의 숫자는 135개에 불과하다. 수소차 및 수소 에너지를 대중화하기 위해서는, 수소 연료의 생산 비용을 낮추어 경제성을 확보하여야 한다. 이를 위해서는, 물로부터 수소를 생산하는 데 필요한 수전해-수소발생 촉매의 효율을 극대화하는 것이 필요하다.

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수 나노미터(nm) 크기의 촉매 표면의 특정한 위치에 다른 물질을 선택적으로 증착시키는 것은 매우 어렵다. 의도하지 않은 위치에 증착된 물질이 오히려 촉매 활성자리를 막거나 서로의 기능을 방해할 수 있기 때문이다. 물 분해를 활성화하는 니켈이나 수소 이온이 수소 분자로 변환되는 반응을 촉진하는 팔라듐을, 하나의 물질에 동시에 증착해 함께 사용할 수 없는 이유가 바로 이 때문이다.

연구팀은 자체적으로 개발한 나노반응기*1를 이용하여 2차원 형태의 판상형 나노결정 위에 증착되는 금속의 위치를 미세하게 제어했다. 그리고, 이를 통해 2차원 백금 나노결정의 여러 결정면에 각기 다른 물질로 도포할 수 있는 나노 스케일 미세증착 공정을 개발하였다. 할 수 있는 나노스케일 미세공정을 개발하였다. 연구팀은 이를 바탕으로 연속적 증착 방법을 통하여 2차원 백금 나노결정의 평면과 가장자리에 각각 팔라듐과 니켈 나노 박막이 선택적으로 도포된 형태의 ‘백금-니켈-팔라듐’ 삼금속 하이브리드 촉매 물질을 합성하였다.

하이브리드 촉매의 서로 다른 위치에 구획되어 형성된 니켈/백금과 팔라듐/백금 계면은, 각각 물 분자 분해 과정과 수소 분자 생성 과정을 촉진하여 두 과정이 협동적으로 일어나는 수전해-수소발생 반응의 효율을 크게 향상시켰다.

실험 결과, 삼금속 하이브리드 나노촉매는 기존의 백금-탄소 촉매에 비해 약 7.9배 향상된 활성을 보였다. 또, 50시간 정도의 오랜 반응에서도 활성을 유지하며 높은 안정성을 보였다. 기존의 하이브리드 촉매들이 지녔던, 이종 계면들 사이의 기능적 간섭이나 충돌의 문제를 해결한 것이다.

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이번 연구를 이끈 이인수 교수는 “공정상의 어려움을 극복하고, 하이브리드 물질에서 이종 계면을 결합하는 데 성공했다”며, “수소 반응에 최적화된 촉매 재료 개발에 널리 적용되기를 바란다“는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.



1. 나노반응기
화학반응이 수 나노미터 크기의 공간에서 한정되어 일어나도록 하는 나노물질로, 이번 실험에서는 나노결정 표면에 금속의 증착을 조절하는 데 사용되었다.