전기 촉매 수소 방출 재료 디자인 연구

`레쓰 이즈 모어(Less is more)`는 저명한 건축가인 미스 반데로(Mies Van de los)라는 유명한 건축가가 말한 글이며 이런 `간결한 것이 더 아름답다`는 설계 이념은 형식이 간단함을 주장하고 과도한 화려함을 반대하는 것이며 간단한 물건일수록 사람들에게 더욱 많은 즐거움을 가져다 주고 있음을 의미한다. 이런 설계 이념이 재료 과학 분야에서 참고적 가치가 있을까?

최근 중국과학기술대학 슝위제(熊宇杰) 교수 연구팀은 관련 연구를 통해 `간결한 것이 아름답다`는 설계 이념을 이용하여 전기 촉매(Electrocatalytic) 수소 방출(Hydrogen evolution) 재료 디자인(Materials Design) 연구 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 `독일 응용화학 학술지`에 발표되었다.

수소 에너지는 매우 높은 에너지 밀도와 극히 낮은 환경 오염 특징을 보유하고 있기 때문에 청정 에너지 이용 및 개발 분야에서 극히 중요한 역할을 발휘한다. 전기 촉매 수소 방출 반응은 금속 전극 표면 수소 방출의 음극 부식 과정으로서 가역적 수소 연료 전지 속에서 수소를 생성시키는 중요한 과정에 속한다.

금속 백금(Platinum)은 전기 촉매 수소 방출 반응 과정에서 촉매 활성이 제일 높은 금속 재료에 속한다. 하지만 높은 원가 때문에 과학자들은 줄곧 백금 사용량을 줄일 수 있는 방법에 대한 탐색을 실행해 왔다. 지금까지 과학기술계와 산업계는 아직 백금 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 높은 전기 촉매 활성을 보유한 기술을 개발하지 못한 상황이다.

이런 상황에 근거하여 중국과학기술대학 슝위제(熊宇杰) 교수 연구팀은 관련 연구를 실행하는 과정에서 일종 백금(Platinum)-팔라듐(Palladium)-그래핀(Graphene) 적층 복합 구조(Laminated composite structures)를 디자인한 동시에 백금 층 두께에 대한 정밀 제어 합성 방법을 개발하여 여러 가지 백금 층 두께에 대한 제어 가능한 복합 구조를 개발하는데 성공하였다.

연구팀이 개발한 다양한 복합 구조는 전기 촉매 수소 방출 반응 과정에서 조정 변화 가능한 성능을 나타냈으며 백금 층 두께를 4개 원자 층 범위 내로 제어할 때 성능의 최고치에 달하는 것으로 나타났으며 -300mV 전압 하에서의 전류 밀도는 791mA㎠에 달하고 타펠 경사(Tafel slope)가 10mV decade-1 수준에 달하여 기존의 상용화 백금 탄소 전극 재료를 대폭 초월한 것으로 나타났다.

중국과학기술대학 장쥔(張俊) 교수 연구팀은 이론 시뮬레이션 방법을 이용하여 금속 백금과 팔라듐 인터페이스에 대한 연구를 실행하였으며 이런 두 가지 금속 일 함수(Metal work function)의 차이는 금속 백금 표면에서 극화 역할을 생성시켜 표면 집중 음 전하에서 수소 방출 반응의 발생을 추진하게 된다는 점을 발견하였다.

연구팀은 사이즈 의존성에 대한 연구를 실행하여 극화 역할이 백금 층 두께의 증가에 따라 약화되기 때문에 실험 상에 백금 층 두께 제어 수단으로 전기 촉매 수소 방출 성능을 조정한다는 점을 입증하였다. 이번 연구는 금속 백금 사용량을 감소시키는 동시에 전기 촉매 수소 방출 활성을 최대한 향상시키고 원가가 저렴하고 성능이 높은 전기 촉매 재료 개발을 위해 중요한 기술 기반을 구축하였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 취득한 연구 성과는 복합 구조 재료 중의 전하 극화 행위 및 메커니즘에 대한 이해를 깊이 할 수 있도록 하였으며 복합 구조 전기 촉매제에 대한 합리적인 디자인을 추진하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.

이번 연구는 국가과학기술부의 `중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)` 비용, 국가자연과학기금위원회의 `기초과학 연구 프로젝트` 비용, `국가 청년 천인계획(千人計劃) 프로그램` 비용 및 중국과학원의 `백인계획(百人計劃) 프로그램` 비용 지원을 받아 추진되었다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 전기 촉매 수소 방출 재료 디자인 연구