단국대 이용걸 교수팀, 수소 대량 생산 길 열어 … 반도체 제조공정 접목해 고성능 촉매 기술 개발

단국대학교는 화학공학과 이용걸 교수 연구팀이 체코과학원 물리학연구소 팀 베르하겐(Tim Verhagen) 박사팀과 공동으로 반도체 제조공정을 활용해 수소 생산효율을 2배 이상 높일 수 있는 고성능 전극 촉매 원천기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

이번에 개발한 기술은 물을 전기분해해 수소를 생산하는 데 필요한 핵심부품인 전극 촉매 성능을 크게 개선했다.

기존에는 주로 백금이 촉매로 사용됐지만, 가격이 비싸 대량 생산에 한계가 있었다. 최근엔 초박막 반도체 소재인 몰리브덴 다이설파이드(MoS₂)가 귀금속을 대신할 수 있는 수소 발생 촉매로 주목받아 왔다. 다만 전기가 잘 흐르지 않고 촉매 반응이 일어나는 활성 지점이 적다는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 전극 촉매에 반도체 제조 기술인 '분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE)' 공정을 도입했다. 이 기술을 활용해 실리콘 기판 위에 금속 몰리브덴(Mo)과 MoS₂를 초진공 상태에서 원자 단위로 정밀하게 증착해 나노 수준의 균일한 복합구조를 구현하는 데 성공했다.

새 촉매는 전기 전도성을 높이고 수소 발생 반응이 일어나는 활성 지점을 크게 늘린 것이 특징이다. 기존 촉매보다 수소 생산효율이 2.3배(126%)쯤 향상했다. 장기 구동에도 높은 안정성을 유지했다.

특히 반도체 공정과 높은 호환성을 확보해 향후 웨이퍼 규모의 전극 제작과 고성능 수소 생산 시스템으로의 확장 가능성을 제시했다는 점에서 산업적 활용 가능성이 높다는 평가다.

이 교수는 "이번 연구는 기존 용액 기반 합성이나 화학기상증착(CVD) 공정으로는 구현이 어려웠던 구조·전자·촉매 성능의 인과관계를 명확히 규명했다는 점에서 의미가 크다"며 "차세대 촉매 설계와 공정 최적화를 통해 수소에너지 대량 생산 기반 구축에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 논문은 미국화학회(ACS)에서 발간하는 재료과학과 나노기술 분야 국제학술지 'ACS Nano'에 지난 10일 게재됐다. 단국대 화학공학과 전은서 석사생이 제1저자, 이 교수와 팀 베르하겐 박사가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구 및 한-EU 연구자 교류협력 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.