UNIST(울산과학기술원)는 신소재공학과 박혜성(사진) 교수와 동국대 융합에너지신소재공학과 한영규 교수, 성균관대 신소재공학부 백정민 교수 공동연구팀은 고농도의 바나듐 원자가 도핑된 몰리브덴 이황화물 박막 합성법을 개발했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 전기 전도도를 변화시키기 위해 첨가되는 도펀트 원자의 배열 제어를 통해 전이금속 칼코겐 화합물 기반 수전해 촉매의 성능을 획기적으로 향상시켰다.

그동안 전이금속 칼코겐 화합물은 귀금속을 대체할 수 있는 수전해 촉매로 많은 연구가 진행되고 있지만, 귀금속 촉매 대비 촉매 성능이 낮다는 한계가 있었다.

지금까지 전이금속 칼코겐 화합물의 촉매 활성도 향상을 위해 헤테로 원자 도핑 방법이 활용돼 왔다. 하지만 전이금속 전구체의 낮은 화학적 반응성과 도펀트 원자와 호스트 원자 간의 이질성은 도펀트 원자를 높은 농도로 치환하는 것을 어렵게 만들어 촉매 활성도를 효과적으로 증가시키는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 전이금속 전구체의 반응성 향상을 위해 알칼리 금속 할로겐화물을 반응 촉진제로 도입했다. 이를 통해 전이금속 칼고겐의 한 종류로 전기 화학 촉매를 포함한 다양한 분야에 응용되고 있는 몰리브덴 이황화물의 박막 내에 바나듐 원자를 고농도로 치환하는 데 성공했다.

또한, 도핑 농도가 증가함에 따라 2개 또는 3개의 바나듐 원자가 뭉쳐진 형태로 존재함을 밝혀냈으며, 범밀도함수 이론을 활용해 해당 위치에서 수소 흡착 반응을 위해 필요한 에너지가 크게 감소함을 확인했다.

이번 연구는 국제학술지 ACS 나노(ACS Nano)에 지난 5월15일자로 온라인 공개됐다. 차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr