성균관대, 한국기계연구원과 고효율·고안정성의 수소 생산 전극 소재 개발

성균관대학교는 기계공학부 김태성·화학공학과 유필진 교수가 한국기계연구원 김형우 박사와 함께 저온 플라스마와 분극장이 내재된 이차원 소재의 이종 접합 구조를 활용해 고효율·고안정성의 수소 생산 전극 소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

수소 생산 전극으로 활용되는 전이금속 디칼코게나이드 박막은 형상에 따라 수소 이온 흡착 에너지가 달라진다. 기존 연구에서는 금속성을 띠는 1T 형상이 반도체적 특성을 지닌 2H 형상보다 전하 전달 능력이 뛰어난 것으로 나타났다. 그러나 1T 형상의 경우 수소 이온 흡착이 지나치게 강해 탈착 과정에서 효율 저하 문제가 발생했다. 이를 해결하기 위한 새로운 소재 특성 제어 기술이 요구되고 있었다.

연구팀은 분극장이 내재된 이종 접합 구조를 통해 기존 이차원 소재 기반 수소 생산 전극의 한계를 극복했다. 이 기술은 접합 계면에 형성된 공극을 활용해 전자의 자유도를 증가시켜 표면 전하 전달 능력을 향상했다. 이를 통해 흡착된 수소 이온이 신속히 환원돼 수소 기체로 전환되는 효율적인 시스템을 구현했다.

연구팀은 텅스텐과 그래핀 이종 계면에서 형성된 분극장이 황화수소 이온의 침투를 막는 장벽 역할을 한다는 점을 확인했다. 이를 통해 최하층 텅스텐에 황 공극을 유도하고 구속돼 있던 전자를 활성화해 전하 전달 효율을 높이는 데 성공했다. 이런 특성 덕분에 기존 이차원 박막 기반 수소 생산 전극보다 전하 전달이 더 원활하게 이뤄졌다.

이번 연구에서는 구면수차 투과현미경(STEM)을 활용해 나노결정립 원자층 형성을 확인했으며, X-선 광전자 분광법(XPS)과 X-선 회절 분석(XRD)을 통해 비정질 이황화텅스텐(WS₂)이 결정성을 갖게 되는 메커니즘을 규명했다. 특히 저온 플라스마에서 황화수소 이온이 격자 계면으로 침투하며 in-situ 방식으로 1T 형상의 격자를 합성할 수 있음을 입증했다.

이번 연구 결과는 소재 융합 연구 분야의 저명한 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 지난 9월 9일 게재됐다. 성균관대 석현호·김민준·조진일 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.