전이금속 칼코겐화합물인 이황화몰리브덴이 반도체상(녹색)에서 금속상(흑색)으로 변화한 모습/사진=UNIST
울산과학기술원( UNIST) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·곽상규 교수 공동연구팀은 쇳물과 같은 액체 금속을 층간에 삽입하는 방법으로 ‘전이금속 칼코겐화합물’을 금속상으로 바꾸는 합성법을 개발했다고 12일 밝혔다. 여기서 ‘금속상’은 구성 원자들의 배열에 따라 서로 다른 상을 갖고 물리·화학적 성질이 달라진다는 얘기로, 상온에서 자석에 달라붙는 강자성을 갖지만 온도가 특정 온도 이상으로 올라가면 원자 배열이 바뀌어 자석에 달라붙지 않는 ‘철’을 예로 들 수 있다.
전이금속 칼코겐화합물은 텅스텐, 몰리브덴 같은 금속 원소와 황과 같은 칼코겐 원소가 결합한 물질이다. 가격이 저렴하고 내구성이 좋아 백금을 대신 할 물 전기 분해 반응 촉매로 연구되고 있다. 하지만 상온에선 전기전도도가 떨어진다. 촉매 성능이 저하되는 것이다. 이 물질은 하나의 물질 안에 반도체 성질을 갖는 부분과 금속 성질을 갖는 부분이 공존하는데 상온에서 주로 전기전도도가 떨어지는 반도체상으로 존재하기 때문이다. 금속상을 갖도록 합성하는 방법이 있지만 시간이 오래 걸리고 합성된 물질이 다시 반도체상 물질로 돌아가는 한계가 있었다.
액체 알칼리 금속을 이용해 반도체상 전이금속 칼코겐화합물을 금속상으로 변환. 모세관현상을 통해 반도체상(Phase) 전이금속 칼코겐 화합물(이황화몰리브덴, MoS2) 층간으로 삽입된 액체 알칼리 금속(칼륨, K)이 전자를 공급해 물질은 금속상으로 바꾼다/자료=UNIST
박 교수는 “차세대 수소 발생 촉매로 주목 받고 있는 전이금속 칼코겐화합물의 새로운 합성법을 찾은 것”이라며 “금속상 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 잘 활용해 수소 발생 촉매 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 메터리얼즈’에 게재됐다.