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에너지과학과 김성웅 교수 연구팀, 화학적 불안정성을 해소한 혁신적 전자화물 에너지 소재 개발 성공
에너지과학과 김성웅 교수 연구팀, 화학적 불안정성을 해소한 혁신적 전자화물 에너지 소재 개발 성공
  • 하영
  • 승인 2020.06.08 10:20
  • 댓글 0
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안정화 메커니즘 확립으로 전자화물 촉매 등 응용 연구 분야 활성화 기대
안정화된 2차원 전자화물의 촉매 특성 발현 모식도. X선 회절 분석법과 전자현미경 관찰을 통해 합성된 Hf2S 전자화물의 안정성과 안정화 메커니즘을 규명하였다. 안정한 Hf2S 전자화물로 촉매 반응을 일으켜 Hf2S 전자화물이 전기 촉매로서 반영구적으로 사용될 수 있음을 밝혀내었다. 층간의 빈 공간에 위치한 격자간 음이온 전자가 표면의 자기부동태막을 통과하여 전기촉매 특성이 발현된다. 수 주간의 반응 시에도 전기촉매 특성이 감소하지 않는다.
안정화된 2차원 전자화물의 촉매 특성 발현 모식도. X선 회절 분석법과 전자현미경 관찰을 통해 합성된 Hf2S 전자화물의 안정성과 안정화 메커니즘을 규명하였다. 안정한 Hf2S 전자화물로 촉매 반응을 일으켜 Hf2S 전자화물이 전기 촉매로서 반영구적으로 사용될 수 있음을 밝혀내었다. 층간의 빈 공간에 위치한 격자간 음이온 전자가 표면의 자기부동태막을 통과하여 전기촉매 특성이 발현된다. 수 주간의 반응 시에도 전기촉매 특성이 감소하지 않는다.

성균관대학교(총장 신동렬)는 에너지과학과 김성웅 교수 연구팀(제1저자 강세황 연구원)이 차세대 재료로 주목받고 있는 ‘전자화물’의 안정화 메커니즘을 규명하고, 반영구적 촉매 반응에 세계 최초로 성공했다고 밝혔다.

전자화물은 전자가 원소들 사이의 독립적 공간에 음이온의 형태로 존재하는 물질을 말한다. 전자화물의 격자간 음이온 전자는 소재 물성을 직접 결정하는 주요 요인으로, 전자, 촉매, 자성 소재 등 다양한 분야에서 기존 소재의 한계를 넘어선 응용 소재로 기대되고 있다.

하지만 대부분의 전자화물은 격자간 음이온 전자의 강한 화학적 반응성으로 인해 공기 중에서 쉽게 산화되기 때문에 소재 실용화에 어려움을 겪어왔다. 공기 중에서 화학적으로 안정한 전자화물도 물과 알코올 등의 환경에서는 쉽게 분해되는 등 우수한 전자 전달 특성을 유지하며 안정적으로 실용화된 전자화물을 개발한 사례는 없었다.

이에 연구진은 전자화물의 화학적 불안정성 한계를 극복하여 물과 산 등 강한 산화성 환경에서도 반영구적으로 안정한 2차원 전자화물 소재(Hf2S)를 성공적으로 합성하고 그 안정화 원리를 규명했으며, 이를 이용한 반영구적 수소 발생 전기촉매 반응에 성공했다.

나아가 연구진은 얇은 자기부동태막이 형성된 전자화물이 물, 산 용액 등 산화성 환경에서 화학적으로 매우 안정한 것을 확인했다. 동시에 격자간 음이온 전자가 강한 전자 전달 능력을 유지하여 수소 발생 촉매로서 활용 가능한 것을 확인했다.

특히 이번에 개발된 전자화물 촉매는 내구성이 매우 뛰어나 촉매 특성이 전혀 감소하지 않는 것으로 기존의 낮은 내구성과 고가 소재인 귀금속 촉매를 대체하는 새로운 에너지 소재로서 수소경제 활성화에 기여할 것으로 예상된다.

왼쪽으로부터 김세황연구원, 김성웅교수
왼쪽으로부터 김세황연구원, 김성웅교수

이번 연구는 학술적으로 전자화물 물질군의 안정화 원리를 명확하게 밝혀내고, 기존 2차원 전자화물 연구 및 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 불안정성 문제의 돌파구를 마련하여 전자화물 응용 물성 연구의 기틀을 마련했다는 점에서 큰 의의가 있다. 또한 본 연구가 제시하는 원리를 이용해 기존 전자화물 소재 연구의 한계를 극복하고 전자화물 분야 기초 연구 및 응용 연구 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 미래소재디스커버리사업 및 기초과학연구원의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 과학기술 분야 세계적 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)에 6.6(토) 게재되었다.


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