수소는 청정 에너지의 중요한 원천이 될 수 있고 수소 가소를 생산하기 위한 가장 청정한 방법은 물에서 수소와 산소를 분리하는 것이다. 그러나 현재 물 분해 반응을 촉진하기 위해 사용되는 촉매는 백금이다. 이는 하나의 문제를 야기한다.

전류가 물을 통해 흐를 때, 얼마의 물 분자들이 분해될 수 있다. 촉매는 이런 분자들을 분리하는데 요구되는 에너지의 양을 줄여주며 백금은 이런 면에서 매우 훌륭한 물질이다. 그러나 백금은 수소 생산에 광범위하게 이용하는데 매우 비싼 귀금속이다.

그래서 연구원들은 백금을 훨씬 싸게 대체할 유망한 물질로 몰리브덴 이황화물 (MoS2)을 연구해 왔다. 단점은 MoS2의 촉매 성능이 백금에 비해 훨씬 떨어진다는 것이다. 이 문제를 우회하기 위해, 연구원들은 MoS2의 촉매 성능을 개선하는 방법들을 찾기 시도해 왔다. 그리고 최근 그들은 해법을 찾아낼 수 있었다.

NC 주립 대학 재료공학 연구원이며 이 주제에 대한 새로운 논문의 선임 저자인 린유 카오 박사는 MoS2의 성능을 개선하는데 가장 큰 장벽인 이 물질의 성능과 성분, 구조 사이 관계를 이해하지 못하고 있기 때문이며 현재 이 관계에 대하여 조금씩 알게 될 것이라고 말했다.

몰리브덴 황화물에서, 황 원자들과 몰리브덴 원자들의 비는 2에서 3에 걸쳐 존재할 수 있다. 따라서, 많은 연구원들은 이 물질의 정확한 성분이 촉매 성능에 영향을 어떻게 끼치는지 궁금해 했다.

카오와 그의 연구팀에서 게재한 새로운 논문에 따르면, 성분은 전혀 촉매 성능에 영향을 끼치지 않지만 물질의 결정 구조는 촉매 성능에 대단히 많은 영향을 끼치고 있다고 주장했다.

촉매 성능에 대하여 고려할 때 생각해야할 세 가지 조건들이 있다.
태펠 기울기: 이는 얼마나 빨리 수소 발생율이 전기 포텐셜을 증가시킬 수 있는지 알 수 있다.
1. 태펠 기울기가 더 낮을 수록, 목표된 수소 생산율을 얻기 위해 요구되는 전압이 더 작아진다.
2. 교환 전류 밀도: 이는 어떠한 전기 포텐셜이 존재하지 않을 때 물질이 가지는 고유 촉매 활성도이다. 예를 들어, 전류가 없는 상태에서 하나의 물 분자가 분리하는데 수소 원자를 얼마나 촉진하는지이다.
3. 안정성: 이는 감소되고 반응이 멈추기 전까지 얼마나 오랫동안 촉매가 사용될 수 있는지이다. 만약 즉시 에너지를 소진한다면 이는 매우 쓸모없는 것이다.

카오 연구팀은 낮은 품질이나 비정질 구조를 가진 MoS2가 좋은 성능을 의미하는 더 낮은 태펠 기울기를 가지며 나쁜 성능을 의미하는 더 적은 교환 전류 밀도와 안정성을 가진다는 것을 발견했다. 이와 반대로, 높은 품질 혹은 단결정 구조들을 가진 MoS2는 나쁜 성능을 의미하는 더 큰 태펠 기울기와 훨씬 훌륭한 교환 전류 밀도와 안정성을 가진다.

카오 박사는 지금 모든 촉매의 측면에서 이 효과들을 조절하기 위해 균형된 구조를 가진 MoS2를 조심스럽게 조정할 필요가 있다고 말했다.

또한 현재 연구는 직경에서 5내지 30 나노미터인 MoS2 나노클러스터들의 무리들이 개선된 촉매 성능에 대한 가장 유망한 구조라는 것을 보였다. 나노 클러스터들의 무리들은 매우 가까이 볼 때까지 하나의 고체를 닮은 서로 매우 가깝게 있는 물체들의 모임인 토성의 고리들와 비슷하다.

그림 설명: 스벤 호페에 의해 촬영된 “물방울”에서 얻어진 이미지

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 12월 15일]