탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a？d) NiS 나노입자와 (e？h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.

백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a？d) NiS 나노입자와 (e？h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.

백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a？d) NiS 나노입자와 (e？h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.

백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a？d) NiS 나노입자와 (e？h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.

백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a？d) NiS 나노입자와 (e？h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.

백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a？d) NiS 나노입자와 (e？h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.