입력 2026.05.28 16:36
- 계면 내장 전기장 활용해 저전력 수소 생산 촉매 설계 전략 제시, 국제 학술지 ‘Small’ 게재
- 요소 산화 반응 기반 고효율 수소 생산 구현, 차세대 친환경 에너지 분야 활용 기대
충남대학교 화학과 이재범 교수 연구팀이 폴란드 연구진과의 국제공동연구를 통해 계면 내 전하 흐름 제어를 기반으로 한 저에너지 수소 생산 촉매 설계 전략을 제시했다.
이번 연구 성과는 재료·나노 분야 국제 저명 학술지인 ‘Small’(IF: 12.1, 분야 상위 7.1%)에 게재돼 차세대 친환경 수소 생산 기술 분야에서의 우수한 연구 경쟁력을 입증했다. 이번 연구는 충남대 보카 피카두 반티(Boka Fikadu Banti)가 제1저자로 참여했으며, 충남대 이재범 교수와 폴란드과학원 엔제무와 은와지(Njemuwa Nwaji) 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
수전해 기반 수소 생산은 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있지만, 기존 산소 발생 반응(OER)의 높은 에너지 장벽으로 인해 많은 전력이 요구되는 한계가 있었다.
이에 공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 요소 산화 반응(Urea Oxidation Reaction, UOR)을 활용하고, g-C3N4와 CoMoS2 기반의 이종접합 구조를 정밀하게 설계해 계면에서 자발적으로 형성되는 내장 전기장(built-in electric field)의 역할을 분석했다.
그 결과, 이종접합 계면에서는 전자의 자발적 이동에 의해 g-C3N4 측에는 전자 결핍 영역이, CoMoS2 측에는 전자 풍부 영역이 형성됐으며, 이러한 비대칭 전하 환경이 요소 분자의 활성화와 결합 절단을 효과적으로 촉진하는 것으로 나타났다. 특히 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산과 전기화학 분석을 통해 계면 전하 재배치가 반응 중간체의 흡착과 반응 에너지 장벽 감소에 핵심적인 역할을 한다는 점을 규명했다.
또, 개발된 하이브리드 촉매는 요소 산화 반응(UOR)과 수소 발생 반응(HER) 모두에서 우수한 전기화학적 특성과 안정성을 보였으며, 실제 요소 전해 기반 수소 생산 시스템에서도 낮은 구동 전압과 안정적인 성능을 유지했다.
이번 연구에서 제시한 이종접합 촉매 설계 기술은 계면 내 전기장을 활용한 전하 흐름 제어를 통해 저전력 수소 생산 효율을 높일 수 있는 핵심 기술로, 차세대 친환경 수소 생산 시스템 개발과 에너지 촉매 분야 발전에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 4단계 BK21 사업과 중견연구 과제의 지원을 받아 수행됐다.