마이크로파 합성법을 이용한 중공 구조 CoS2/WS2 촉매의 합성 및 수전해 성능 평가

초록

탄소 중립 사회로의 전환이 가속화되면서 화석 연료 의존을 줄이고 청정 에너지를 확보하기 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 그중 수전해 기반 수소 생산은 이산화탄소 배출이 없는 친환경적 방법일 뿐 아니라, 생산된 수소를 저장·운송할 수 있어 차세대 에너지 시스템의 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 수소 발생 반응과 산소 발생 반응은 모두 높은 과전압과 느린 반응 속도를 요구하여 전체 효율을 제한한다. 상용 귀금속 촉매(Pt, IrO2, RuO2)는 우수한 활성을 보이나 높은 비용과 낮은 내구성으로 대규모 응용에는 제약이 따른다. 이에 따라 가격 경쟁력이 있으면서도 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있는 전이금속 기반 이중기능성 촉매 개발이 필요하다. 본 연구에서는 중공 구조와 이종접합 계면을 동시에 구현하는 전이금속 복합 촉매 합성 전략을 제시하였다. Polystyrene을 희생 템플릿으로 제작하고, 표면 안정화를 위하여 polyvinylpyrrolidone(PVP)로 코팅하였다. 이후 ZIF-67을 성장시켜 코발트 종을 도한 뒤, 800 °C, 2시간, Ar 분위기에서 열처리하여 질소가 도핑된 중공탄소(Co@NC) 구조를 얻었다. 이후 (NH4)2WS4와 thioacetamide(TAA)과 함께 마이크로파 용매열 합성을 수행하여 CoS2?WS2 복합체를 제조하였다. 이러한 빠른 마이크로파 가열은 균일한 핵생성과 조성 분포를 유도하며, 중공 형태를 유지하고 입자 응집을 억제할 수 있다. 합성된 CoS2/WS2@NSC 촉매는 알칼라인 조건에서 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER) 모두에 대해 우수한 이기능 전기촉매 활성을 보였다. WS2 내의 금속성 1T상과 반도체성 2H상이 공존하며 형성된 CoS2/WS2 이종 접합 계면은 전하 재분배를 촉진하고 반응 속도를 향상시켰다. 또한, 속이 빈 탄소 매트릭스는 전기 전도성과 기계적 안정성을 제공하였으며, 수직으로 배열된 WS2 나노시트는 풍부한 활성 가장자리를 노출시켜 반응 면적을 극대화하였다. 이러한 구조적·전자적 시너지 효과로 인해 탁월한 내구성과 높은 수전해 효율을 달성하였다. 본 연구의 구조·계면·합성의 통합 설계 전략은 효율적이고 대량 생산이 가능한 수전해 촉매 개발의 새로운 방향을 제시하며, 저비용·고성능 전이금속 기반 전기촉매를 통한 지속가능한 수소 생산에 실질적인 통찰을 제공한다.