그린 수소 생산을 위한 산소 및 수소 발생용 CoSx/MoSx/NSC 이기능성 전극촉매 합성 및 분석

초록

전 세계적으로 진행된 고도의 산업화로 과도한 화석연료의 사용이 증가하였고, 천연자원 고갈과 온실가스 배출로 인한 환경 문제가 대두되고 있다. 화석연료의 사용을 지양하기 위해 지속가능한 대체 에너지의 필요성이 증가하고 있으며, 신재생 에너지를 활용해 얻을 수 있는 고순도의 수소는 에너지 밀도가 매우 높아 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 이를 그린 수소라고 부르며, 그린 수소는 전기화학적 에너지를 통해 물을 분해하여 수소와 산소를 생성하는 기술이다. 수전해 기술을 양극에서 수소 발생 반응(HER), 음극에서 산소 발생 반응(OER)이 일어나며 부생성물이나 환경오염물질이 발생하지 않는 친환경적인 기술이다. 현재 수전해 기술의 에너지 효율을 증진시키기 위해 귀금속 기반의 상용 촉매들이 사용되고 있지만, 이들의 높은 가격이 수전해의 실질적인 상용화를 어렵게 하고 있다. 따라서 이러한 문제를 극복하기 위해, 전기 전도성과 산화환원능이 우수한 전이금속 기반 전기화학 촉매를 개발하여 가격 경쟁력을 확보하고자 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 구형의 멜라민-폼알데하이드(MF)를 희생 템플릿으로 사용하였고, 수열 반응을 통해서 멜라민-폼알데하이드 표면에 폴리피롤 고분자를 고르게 성장시켰다. 폴리피롤 합성 시 피롤이 산화가 되면서 전하 평형을 맞추기 위해 음이온이 필요한데, 수열 반응 과정에서 MoO42-를 넣어줌으로 인해 전자 평형을 유지하고 몰리브덴 전구체를 균일하게 도입할 수 있었다(Mo-PPy@MF). 그리고 액상 침전법을 통해 Mo-PPy@MF 표면에 코발트 이온을 흡착시킨 후(CoMo-PPy@MF), 튜브 퍼니스를 이용해 고온 황화 반응을 진행하였다. 이 과정에서 내부에 존재하는 구형의 MF가 열분해되어 사라졌으며, PPy는 고온 탄화 및 황 도핑 과정을 거쳤고, 코발트와 몰리브덴은 황화물로 상변화가 일어났다. 따라서 최종적으로 중공 구조를 갖는 N,S-doped carbon 구체에 코발트-몰리브덴 이종금속 황화물이 고르게 분포하고 있는 CoSx/MoSx/NSC 촉매를 합성할 수 있었다. 주자 전자 현미경과 투과 전자 현미경을 통해 구형 모양과 중공 구조를 확인하였으며, EDS를 통해 두 금속종이 전반적으로 균일하게 분포함을 알 수 있다.