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수소는 차세대 친환경 에너지원으로 꼽힌다. 연소 후 이산화탄소를 배출하지 않으면서도 높은 에너지 효율을 보이기 때문이다.
현재 수소 발생 촉매 중에선 비용이 합리적이면서 생산과정에서 안정성을 보이는 2차원 전이 금속 촉매에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 단층 ‘전이 금속 인 트리칼코게나이드’의 종류 중 하나인 NiPS3는 고유한 2차원 반강자성으로 인해 주목받고 있다. 하지만 NiPS3의 반도체 특성과 기저면의 불활성으로 효율이 낮아 이를 높이기 위한 연구가 필요하다.
촉매 결함은 분자 구조 중 일부 원자를 제외하는 것으로, 수소 발생 촉매의 효율을 향상시키기 위해 주로 활용되는 방법 중 하나다. 다만 체계적인 촉매 결함 구축에 대한 연구는 여전히 부족한 상황이다.
이번 연구에서는 NiPS3 단층 표면의 니켈과 황 자리에 체계적으로 결함을 도입해 수소 발생 반응 촉매 성능에 미치는 영향을 규명했다. 밀도 범함수 이론 계산을 활용해 결함 생성의 열역학적 안정성과 수소 발생 반응 메커니즘의 상관관계를 분석한 결과, 니켈과 황 자리의 공동 결함이 가장 효과적으로 촉매 성능을 향상시켰다.
이번 연구 성과는 ‘전이 금속 인 칼코게나이드’ 기반 고활성 수소 발생 촉매 개발을 위한 결함 공학 전략을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 다른 칼코게나이드 단층 소재에 확장 적용해 수소 경제 실현에 기여할 것으로 기대된다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 및 한국산업기술진흥원의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 전기화학분야 저명 국제학술지(eScience) 표지 논문으로 게재됐다.
