기초과학지원연구원 이주한 박사팀, 수소 생산용 그래핀 기반 촉매 개발

서울대 남기태·홍병희 교수팀과 공동연구

아주경제 이한선 기자= 국내 연구진이 그래핀 기반 수소 생산용 촉매제를 개발해 고가의 백금 촉매제를 대체하는 고성능 에너지 전환 시스템 상용화에 기여할 전망이다.

한국기초과학지원연구원은 물성과학연구부 이주한 박사팀이 서울대학교 남기태, 홍병희 교수팀과 공동연구를 통해 세계최초로 질소가 도핑된 그래핀을 활용한 수소생산용 촉매제를 개발했다고 8일 밝혔다.

이번 공동연구에서 이 박사팀은 질소 도핑된 그래핀 층의 화학적 조성 및 실리콘 표면 보호 역할을 증명하고 이를 토대로 남기태 교수팀과 홍병희 교수팀은 실리콘 광음극에 질소가 도핑된 그래핀을 적용해 기존 수소생산용 백금 촉매제를 대체할 만한 수준의 광전기화학 효율 구현에 성공했다.

이번 연구는 미래창조과학부 신기술융합형 성장동력 사업 및 글로벌 프론티어 사업 지원을 통해 한국기초과학지원연구원 물성과학연구부 서정혜 연구원을 포함한 이 박사팀과 서울대 심욱, 문준희 박사과정생을 포함한 남기태, 홍병희 교수팀이 공동으로 수행했다.

연구결과는 에너지 환경과학 분야 최고 권위지인 에너지와 환경 과학지 9월호 인터넷판에 게재됐다.

이번 연구를 통해 세계 최초로 그래핀을 촉매제로 사용해 기존의 백금.실리콘 시스템을 대체할 만한 광전기화학 효율을 얻으며 저가의 고효율 촉매를 이용한 수소 대량 생산의 길을 열었다.

이 박사팀은 광전기화학 효율을 보다 향상시키는 질소 도핑 시료의 X선 광전자 분광법(XPS) 분석을 통해 세 가지 화학적 상태의 질소 흡착 구조를 규명했다.

또 그래핀이 가진 표면 보호효과로 인해 광전기화학 셀을 물에서 사용할 경우 실리콘 표면의 산화가 진행돼 셀의 수명이 짧아지는 것을 지연시킬 수 있음을 XPS 분석을 통해 증명했다.

이러한 분석 연구결과를 토대로 홍 교수팀은 구리 위에서 합성된 단층 그래핀을 질소 플라즈마로 도핑 처리하면 백금과 유사한 촉매제로 사용가능하다는 것을 최초로 발견했고 남 교수팀은 질소 도핑된 그래핀을 실리콘 촉매전극과 결합해 광전기화학을 이용한 물분해 반응에 적용했을 때 최고 수준의 효율을 보일 수 있다는 것을 증명했다.