KAIST, 나노 가위 기술 개발…기존 백금 촉매 대체 기대

▲(A) 절개 공정의 간략한 모식도 (B-D) 각각의 절개 과정에 대한 전자현미경 이미지. 스케일 바, (A, C) 0.5 와 (B) 0.1 µm. (사진제공=한국과학기술원)

KAIST는 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀과 공동연구로 2차원 반도체인 전이금속 칼코지나이드 물질을 얇은 리본 형태로 오려낼 수 있는 신기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

연구팀은 간단한 초음파 처리를 통해 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질을 일정한 방향으로 절개해 긴 나노 리본 형태로 오려내는 데 세계 최초로 성공했다. 공동 연구팀이 개발한 이 신소재는 기존 백금 촉매를 대체해 수소 발생 반응 촉매로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

신 에너지 자원으로 주목받는 수소를 생산하는 가장 환경친화적인 방법은 화학적으로 물을 분해하는 것이다. 이 경우 효율적으로 수소를 생성할 수 있도록 값싸고 높은 효율의 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다.

2차원 전이금속 칼코지나이드는 우수한 촉매 성능을 지니고 있어 에너지·환경 분야에 응용이 기대되는 소재다. 하지만 보다 높은 촉매 성능을 달성하기 위해서는 촉매 활성을 갖는 2차원 소재의 가장자리를 많이 노출하는 방법이 요구돼왔다. 종이를 오려내듯 2차원 소재를 길쭉한 1차원 리본 형태로 오려내게 되면 더 많은 가장자리를 노출할 수 있다는 장점 때문이다.

현재까지는 그래핀과 같이 한가지 원소로만 이뤄진 2차원 소재의 경우 여러 방법의 오려내는 기술이 보고돼왔지만, 2개 이상의 원소로 이뤄진 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질에 이를 적용하는 데 한계가 따랐다. 공동 연구진은 문제해결을 위해 화학 반응을 통해 2차원 소재의 특성 변화를 유도한 후, 저렴한 초음파 처리 공정을 통해 1차원 리본 형태로 오려내는 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 2차원 소재 표면이 산소와 일정한 방향성을 가지고 화학 반응한다는 점을 발견하고 간단한 초음파 자극을 통해 1차원 리본 형태로 오려냈다. 이어 이 기술을 활용해 기존 고가의 백금 촉매에 견줄 만한 높은 성능을 지닌 수소 발생 반응 촉매를 구현했다.

김상욱 교수는 “2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 뛰어난 물성에도 나노구조를 정교하게 조절하는 방법이 부족했다”며 “이번 연구를 계기로 가격이 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매의 개발도 가능할 것”이라고 말했다.