[에듀플러스]이화여대 교수팀, 수소 에너지 시대 여는 차세대 촉매 개발

이화여대는 조수연·이상헌 화공신소재공학과 교수 연구팀이 위상 준금속인 니켈 텔루라이드(NiTe₂)의 수소 발생 반응(HER) 메커니즘을 규명하고, 고효율 수소 생산 촉매로서의 가능성을 실증적으로 입증했다고 20일 밝혔다.

수소 에너지가 탄소중립 시대를 위한 차세대 기술로 주목받으며, 고효율 수소 발생을 위한 촉매 개발은 핵심 과제로 여겨지고 있다. 현재까지 상용화된 고성능 촉매는 대부분 백금(Pt)과 같은 고가의 귀금속에 의존하고 있어 경제성과 자원 확보 측면에서 한계가 있었다.

최근 물질의 전자 구조를 바탕으로 귀금속을 대체할 새로운 촉매를 발굴하려는 연구가 활발히 진행되면서 '위상 준금속'과 같은 양자 소재가 대안으로 떠오르고 있다. 위상 준금속은 전자가 질량이 거의 없는 입자처럼 움직인다. 전하 이동이 빠르고 독특한 전기·자기적 성질을 갖는 소재로 반응성과 경제성을 갖춘 차세대 촉매로 주목받고 있다.

이화여대 연구팀은 차세대 수소 촉매 물질을 찾는 과정에서 위상 준금속의 하나인 니켈 텔루라이드 소재에 주목했다. 니켈 텔루라이드에서 결정면의 방향에 따라 수소 발생 반응의 효율이 달라지는 '비등방적(anisotropic) 반응 특성'이 있음을 밝혀냈다.

이는 특정 방향에서 전자의 이동성이 높아지는 위상 준금속 특성에 의한 것으로, 니켈 텔루라이드의 독특한 전자 구조가 고성능 수소 촉매로서의 가능성을 보여주는 핵심 근거가 됐다. 연구팀은 이론적 계산과 실험을 병행해 니켈 텔루라이드의 결정면 방향에 따른 반응성 차이가 전자 구조 내부에서 행동하는 전자인 디락 페르미온(Dirac Fermion)의 특성에 따른 것임을 규명했다.

이번 연구는 이화여대 화공신소재공학과 대학원생들이 주도적으로 수행했다. 정승원 박사과정생과 김정효 석사 졸업생(현 LG화학 연구원)이 제1저자로, 이승연 박사과정생과 김현주 석사과정생이 공동저자로 참여했다. 연구자들은 이론 계산과 실험 결과 간의 차이를 바탕으로 니켈 텔루라이드의 고유한 전자 구조가 촉매 반응에 실질적으로 기여한다는 점을 입증해 수소 에너지 촉매 설계에 새로운 방향을 제시했다는 평가를 받는다.

공동연구를 진행한 조수연, 이상헌 교수는 “이번 연구 결과는 이화여대 최고 수준의 연구 인프라를 활용해 이론과 실험의 긴밀히 협업했다”며 “니켈 텔루라이드 물질의 독특한 전자 구조가 실제 전기화학 반응성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 보여준 의미 있는 성과로 연구를 통해 고성능의 수소 에너지 개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대한다”고 말했다.

이지희 기자 easy@etnews.com