이황화몰리브덴을 더 활성화시키는 탄소 나노튜브

MoS2/단일벽 탄소 나노튜브 하이브리드 재료.

중국 연구진은 탄소 나노튜브가 2차원 이황화몰리브덴(MoS2) 나노시트의 촉매 활성을 향상시키는데 매우 유용하다는 것을 증명했다.

수소는 가장 청정한 연료이고 큰 에너지 용량을 가지고 있기 때문에 유망한 재생 에너지로서 각광을 받고 있다. 2차원 이황화몰리브덴 나노시트는 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER)을 통해서 수소를 제조할 수 있기 때문에 기존의 백금 촉매를 위한 대체물로서 유망하다. 그러나 열악한 전자 전달은 MoS2 촉매의 적용을 심각하게 제한한다. 저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 중국 연구진은 탄소 나노튜브를 도입함으로써 이런 문제를 극복할 수 있는 고성능 촉매 시스템을 제조했다.

전자 전달은 촉매의 활성화에 영향을 끼치는 중요한 요인이다. 일반적으로, MoS2 나노시트는 혼합된 금속성 1T 상과 반도체성 2H 상을 가진다. 후자는 MoS2 나노시트의 전도를 제한한다.

MoSx 기반의 촉매가 더 빠른 전하 전달을 달성하기 위해서, 탄소 기반의 나노물질은 전도성 네트워크 또는 지지 템플릿으로 사용된다. 그러나 이런 복합물의 제조는 복잡한 다단계 프로세스를 포함하고, 고온 또는 촉매 시스템은 상당히 낮은 촉매 탑재를 이끈다.

저장 대학(Zhejiang University)의 연구진은 HER을 위한 2차원 MoS2 나노시트와 단일벽 탄소 나노튜브로 구성된 고성능 촉매 시스템을 제조할 수 있는 손쉬운 방법을 개발했다. 그들의 뛰어난 전도성과 유연성 때문에, 단일벽 탄소 나노튜브는 하이브리드 촉매 시스템 속의 효율적인 전자 전달 경로로서 활용될 수 있다.

2차원 MoS2 나노시트의 제한적인 전도도는 높은 전기촉매 성능에 부정적인 영향을 끼친다. 이번 연구진은 MoS2/단일벽 탄소 나노튜브 복합물을 제조하기 위해서 고전도성 단일벽 탄소 나노튜브, 이소프로판, 물로 구성된 용액 속에 MoS2 나노시트를 분산시키는 간단한 방법을 개발했다. 하이브리드 시스템 속의 단일벽 탄소 나노튜브는 2차원 MoS2 나노시트 간의 효율적인 전자 전달 채널로서 사용되고 촉매-전해질 계면에서 전하 전달을 용이하게 한다. 이번 연구진은 촉매 활성에 대한 단일벽 탄소 나노튜브 비율의 영향을 조사했고, 탁월한 전기화학적 내구성을 가진 고성능 하이브리드 촉매를 만드는데 성공했다. 하이브리드 전기촉매 시스템은 HER 활성을 향상시키기 위한 새로운 방법을 제공한다.

순수한 MoS2 촉매와 비교할 때, 복합물 시스템은 매우 향상된 전기 촉매 활성을 가진다. 낮은 시작 과전위(onset overpotential)와 40.82 mV/decade의 타펠 기울기(Tafel slope)를 가지는데, 이것은 지금까지 보고된 MoS2 기반의 촉매에서 가장 낮은 수치 중의 하나이다.

이번 연구진은 2차원 나노물질, 광전자장치, 나노독성, 전기적 DNA 염기 서열 등을 중점적으로 연구하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Easy incorporation of single-walled carbon nanotubes into two-dimensional MoS2 for high-performance hydrogen evolution”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/25/46/465401).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 이황화몰리브덴을 더 활성화시키는 탄소 나노튜브