융합공학부 나노소재공학과 하돈형 교수 연구팀이 양이온 치환 반응(Cation Exchange Reaction)을 이용해 물질의 구조적·화학적 특성을 최적화함으로써 산소반응 촉매 효율을 극대화하는 데 성공했다.

산소발생반응은 친환경 수소 생산 방식인 수전해 반응의 한 축을 담당하는 반응을 일컫는다. 수전해 반응을 통한 수소생산 효율을 높이기 위해서는 산소발생반응의 속도를 높이는 전기화학 촉매 개발이 필요하다. 

산화 이리듐 등 현재 촉매로 활용되는 물질들은 귀금속을 포함하고 있어 가격이 비싸다는 점이 단점으로 지적됐다. 때문에 촉매의 가격을 낮추기 위해 비교적 저렴한 전이금속을 포함하면서 높은 촉매 활성도를 가진 물질을 찾으려는 연구가 활발히 이뤄져 왔다. 

하돈형 교수 연구팀은 전이금속을 포함한 스피넬계 물질의 구조적·화학적 다양성에 주목해 고성능 촉매물질을 개발했다. 스피넬 구조는 격자구조를 이루는 음이온과 사면체, 팔면체 자리에 위치하는 금속 양이온의 종류에 따라 다양한 구조를 가질 수 있기에 이를 조절해 최적의 촉매 성능을 달성할 수 있다. 

하 교수 연구팀에서 개발한 양이온 치환 반응을 이용하면, 촉매 입자의 형태와 스피넬 결정 구조를 유지하면서 금속 양이온의 비율을 미세하게 조절할 수 있다. 반응 과정에서 발생한 미세한 구조적 변형을 통해 추가적인 활성 사이트를 공급하는 방식으로 촉매 성능을 극대화할 수 있다. 

연구팀은 스피넬 코발트 황화물 나노 입자의 코발트 양이온을 니켈 양이온으로 치환해 다양한 조성의 전이금속 스피넬 황화물을 제작했다. 그 중 (Nin1.2Co1.8)S4 나노 입자가 10mA/cm2 전류밀도에서 298mV의 우수한 산소 발생 반응 과전압을 보였다. (Nin1.2Co1.8)S4 나노 입자의 독특한 구조적·화학적 특성으로 인해 산소 발생 반응 조건에서 상변환이 일어나 촉매 성능이 크게 향상된다는 점을 밝혀낸 것이다. 

이번 연구는 하돈형 교수 연구팀이 한국연구재단이 주관하는 선도연구센터사업(ERC)과 BRIDGE융합연구개발사업의 지원을 받아 서강대 화공생명공학과 백서인 교수, 우리 대학 융합공학부 손형빈 교수, 워싱턴주립대 화학과 Liane M. Moreau 교수와 공동으로 진행한 것이다.  

상세한 연구성과의 내용은 피인용지수(IF, Impact Factor) 15.1을 기록한 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재된 ‘Cation-Exchange-Induced Structural and Chemical Modulation of Transition Metal Spinel Sulfides to Enhance Their Oxygen Evolution Performance’ 논문을 통해 확인할 수 있다.