한병찬 교수 연구팀, 백금성능의 초저가 수소생산 전기촉매 설계

고성능 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자물리화학적 신소재 설계 개념 창안 및 실험적 검증
‘Wiley’와 ‘미국화학회지’에 논문 게재
 

수소 기체는 각광받는 청정 연료로서 연료전지 시스템을 통해 효율적인 전기에너지를 공급할 수 있다. 그러나 현재 그 생산은 오염 물질을 유발하는 화석연료를 개질하는 방법에 주로 의존하고 있어, 이를 개선하는 혁신적인 방법이 시급하다. 최근 물을 전기 분해하여 고순도 수소와 산소를 확보하는 방법이 연구되고 있다. 이러한 시도의 성패는 관련 전기화학 반응의 활성화 에너지를 획기적으로 낮추는 전기촉매의 성능에 달려 있으나 고가 귀금속인 백금을 대체하는 물질이 여전히 개발되지 못한 실정이다.

한병찬 교수 연구팀(화공생명공학과)은 양자역학에 기반한 계산 화학을 이용하여 저가소재인 파이라이트(pyrite) 물질을 수소 생산용 고성능 전기촉매로 디자인하는 개념을 발견했다. 나아가 카이스트 김상욱 교수 연구팀과 공동연구를 통해 실험적으로 저비용/고성능 파이라이트 촉매 소재를 직접 합성하여 검증했다. 본 연구 결과는 해외 저명 학술지 ‘Journal of Physical Chemistry C’(1월 4일)과 ‘Advanced Energy Materials’(1월 22일)에 각각 게재됐다.

파이라이트는 이종 물질과 강하게 접촉하면 불꽃이 발생하는 황철석을 말한다. 본 연구는 그 소재의 주요 구성 원소인 철을 타 금속 치환 또는 황을 셀레늄, 인 등으로 대체함으로써 수소생산 효율을 백금에 비견하는 전기촉매로 개발할 수 있음을 실증했다. 특히, 슈퍼컴퓨터를 이용한 제1원리 전산모사로 다양한 치환 원소들의 수소 생산 효율을 고속으로 예측하고, 그 근본 원리를 전자 구조 분석을 통해 명확히 밝혀냈다. 이를 통해 Fe0.5Co0.5Se2와 CoP@PS를 최적 물질임을 제안했고 카이스트 김상욱 교수 연구팀은 CoP@PS 물질을 직접 합성했다. 이 물질의 경우 결정질 파이라이트 표면이 비정질 PS 나노쉘 (1 nm)로 캡슐이 될 경우, 그 수소 흡착능이 크게 증폭되어 내구성과 촉매효율이 백금에 상응하게 됨을 밝혔다.
 

이번 연구는 제1원리 전산모사와 실험적 합성 및 검증이 체계적으로 연동된 결과다. ‘Advanced Energy Materials’에 게재된 본 논문은 한병찬 교수와 김상욱 교수 (카이스트)가 교신저자로, 리동준 박사 (카이스트)와 연세대학교 강준희 박사가 제1저자로 참여했다. 또한 ‘Journal of Physical Chemistry C’ 논문의 경우 한병찬 교수가 교신저자, 강준희 박사가 제1저자로 참여했으며 황지민(석박사 통합과정, 연세대학교) 대학원생이 공동저자로 연구에 기여했다.

[그림] 수소생산용 고성능 파이라이트(pyrite)계 전기촉매 후보군 발견 원리