화석연료 기반의 온실가스 배출 증가는 미래 환경 위기의 심각한 요소로 부상하고 있다. 이에 따라, 온실가스의 배출량을 줄일 수 있는 대체 에너지 자원으로 수전해 수소 생산이 주목받고 있다. 산성 조건에서의 수전해 반응은 풍부한 수소 이온의 존재로 비교적 반응이 쉽게 진행되어 현재 대부분의 수전해 수소 생산 시설은 산성 조건을 기반으로 한다. 하지만 산성 용액으로 인해 촉매 및 생산 시설 부식과 제한적인 설치 환경으로 인해 염기성 수전해에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재까지 보고된 염기성 수전해에서 가장 효과적이라고 평가되는 촉매는 백금과 같은 귀금속 기반의 촉매이다. 그러나 이러한 귀금속 촉매는 한정된 매장량과 높은 비용으로 인해 상업적 활용에 제약이 따른다. 따라서 지구상에 비교적 풍부한 전이금속을 활용한 촉매 개발에 관한 연구가 필요하다. 다양한 전이금속 기반 촉매가 개발되었다.
다양한 전이금속 기반 촉매 중에서 이황화 전이금속은 좋은 수소 발생 반응 효율을 나타내며, 다양한 결정학적 상태에 따라 다른 물리 및 화학적 특성을 나타낸다. 이 중 이황화 몰리브덴(MoS₂)은 이황화 전이금속의 대표적인 예로서 그 특성이 가장 잘 알려진 물질 중 하나이다. 2H 상의 MoS₂는 가장자리 부분에서 수소 발생 반응에 대한 높은 촉매 활성을 보이는 것으로 알려져 있으며, 구조적 안정성 또한 뛰어나다. 하지만 전체적인 촉매 활성이 제한적이며 전기 전도성이 떨어지는 단점이 있다. 반대로 1T 상의 MoS₂는 가장자리뿐만 아니라 결정 표면에서도 높은 촉매 활성을 나타내며 2H 상 MoS₂보다 전기 전도성 또한 우수하다. 그러나 열역학적 불안정하여 단일 상으로의 합성이 어렵고 환경조건에 따라 2H 상으로 전환이 발생한다.
또 다른 전이금속기반 촉매는 인화 전이금속으로, 전이금속과 인 원자 간의 전자 상호작용을 통해 염기성 용액에서 수소의 효과적인 탈착 및 중간체 안정화를 유도할 수 있음이 알려졌다. 특히 코발트 인화물(CoP)은 높은 전기 전도도와 함께 수소 발생 반응에 있어서 뛰어난 촉매 활성을 보여 많은 연구가 이뤄지고 있다. 하지만 여전히 백금족 촉매보다 활성이 떨어지며, 염기성 환경에서 작동 시 표면 물성의 변화로 인한 촉매 내구성이 떨어진다는 한계가 있다.
여러 연구에서 인화 전이금속과 이황화 전이금속이 이종구조를 형성할 경우 수소 발생 반응의 촉매 활성이 향상된다는 결과가 보고되었다. 이전 연구를 통해 CoP와 MoS₂ 이종구조 형성을 통한 촉매 활성 개선이 가능함이 밝혀졌으며, 혼합 상의 MoS₂를 사용하여 이종구조를 형성했을 때 더 나은 촉매 활성이 나타나는 것이 밝혀졌다.
본 연구에서는 1T 상 MoS₂와 CoP의 이종구조 형성과 CoP의 나노 바늘 구조 형성을 통해 촉매 활성 및 내구성이 향상된 촉매를 합성하였다. CoP의 합성 시간 및 농도를 조절하여 표면 활성 자리를 최대화하였으며, MoS₂의 합성 온도를 조절하여 최적의 1T 상 합성 조건을 확인하였다. 이러한 조정을 통해 최적의 조건에서 전류밀도 10mA cm-2를 달성하기 위한 과전압이 62.8mV에 불과하고, 타펠 기울기 값은 82.6mV dec-1로 기존 촉매보다 활성과 안정성이 향상된 촉매를 개발하였다. 또한, 합성된 촉매는 1M KOH 용액에서 10000회 순환전류 테스트 후에도 성능이 유지되었을 뿐만 아니라, 실제 수소 생산 환경과 유사한 조건(6M KOH(60℃))에서도 촉매 활성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 CoP와 1T 상 MoS₂ 간의 합성 조건 조절을 통해 높은 성능과 향상된 안정성을 동시에 갖춘 촉매의 합성에 성공하였으며, 성능 향상의 원인을 규명하였다. 이러한 결과는 이종구조를 보유한 전이금속 기반 촉매의 학문적 연구 및 실용화에 있어서 중요한 기초로써 활용될 것으로 기대된다.