금속 Mo와 MoS₂ 복합 구조로 전도성·활성점 동시 향상
백금 대체하며 수전해 수소 대량 생산 공정 호환성 확보
단국대는 이용걸 화학공학과 교수 연구팀이 체코과학원 물리학연구소 팀 베르하겐(Tim Verhagen) 박사팀과 공동으로 반도체 제조 공정을 활용해 수소 생산 효율을 약 2.3배(126%) 높인 고성능 전극 촉매 원천기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
이 성과는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 공정의 핵심 부품인 전극 촉매 성능을 구조적으로 개선한 데 의미가 있다. 수전해 촉매로 가장 널리 쓰이는 백금(Pt)은 반응성이 우수하지만 가격 부담이 커 대규모 수소 생산에 한계가 있다. 대체 소재로 주목받아 온 몰리브덴 다이설파이드(MoS₂)는 가격 경쟁력을 갖췄지만 전기 전도성이 낮고 수소 발생 반응이 일어나는 활성 지점(active sites)이 제한적이라는 약점이 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 반도체 공정 기술인 분자선 에피택시(MBE)를 도입했다. 초고진공 환경에서 금속 몰리브덴(Mo)과 MoS₂를 실리콘 기판 위에 원자 단위로 정밀 증착해 나노미터 수준의 균일한 복합 도메인 구조를 형성했다. 기존 용액 합성이나 화학기상증착(CVD) 방식으로 구현하기 어려웠던 구조 제어를 반도체식 공정으로 실현한 것이다.
금속 Mo는 전도 경로를 확보하고, MoS₂는 촉매 반응 부위를 확장하는 상보적 구조를 이뤘다. 그 결과 기존 촉매 대비 수소 발생 반응(HER) 효율이 약 2.3배 향상됐으며, 장시간 구동 조건에서도 안정성을 유지했다. 반도체 제조 공정과의 높은 호환성을 확보해 웨이퍼 단위 전극 제작으로 확장할 수 있는 기반도 마련했다.
이용걸 교수는 “분자선 에피택시 기반 정밀 제어를 통해 구조·전자·촉매 성능 간 인과관계를 규명했다”며 “차세대 촉매 설계와 공정 최적화를 통해 수소에너지 대량 생산 기반 구축에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 'ACS Nano'(Impact Factor 16.1, JCR 상위 6%) 2026년 2월 10일자에 게재됐다.
용인=김동성 기자 estar@etnews.com
