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신소재공학부 

김봉중 교수

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“수소 생산 효율 3배 향상”

GIST, 열역학적 상분리 현상 이용한

담지형 나노 촉매 입자 제조법 개발

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신소재공학부 김봉중 교수팀, 비스무스 바나데이트(BiVO4) 표면에 균일하게 분포한 

고밀도 이황화주석(SnS2) 나노입자 결착… 한계 봉착한 촉매 엑솔루션 기술에 새 활로 제시

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이종 촉매 기술 지평 넓혀 전기자동차 등에 적용될 가스 센서, 가스 개질 등 다양한 

분야에서의 수소 생산 효율 획기적 개선 기대… 국제학술지 《Small Methods》 게재

□ 수소 생산 효율을 획기적으로 높이는 친환경·고효율의 촉매 제작 기

술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

□ 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학부 김봉중 교수 연구팀

이 열역학적 상분리(Phase separation)* 현상을 이용해 비스무스 바나데

이트(BiVO4)* 표면에 균일하게 분포한 고밀도 이황화주석(SnS2) 나노입자

를 결착시키는 신개념 담지형 촉매* 제작 기술을 개발했다고 밝혔다.

   * 상분리(phase separation): 혼합물 내에서 물리적 또는 화학적 특성이 서로 다른 

두 개 이상의 상(phase)으로 분리되는 현상

   * 비스무스 바나데이트(BiVO4): 빛을 흡수해 화학 반응을 촉진하는 광촉매로, 물 분

해, 오염물 제거 등의 환경 관련 응용에 유망함. 특히 가시광선 영역에서의 효율적

인 광흡수 능력으로 물 분해를 통해 수소를 생성함.

   * 담지형 촉매: 촉매 활성 물질(금속, 금속 산화물 등)을 고체 지지체(주로 산화물, 

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탄소 등의 비활성 물질) 표면에 분산시키거나 결착시켜 만든 촉매

□ 산화물 지지체를 이용한 금속 촉매 입자의 엑솔루션* 현상은 촉매 입자

가 지지체 표면에 박혀 있게 되어 고온에서도 조대화(다결정재를 고온

에서 가열함으로써 결정 입자가 커지는 현상)가 일어나지 않아 고온 촉

매 반응(예: 가스센서 등)과 재생에너지(예: 가스개질, 연료전지 등) 응

용에 있어서 매우 중요하게 여겨져 왔다.

   * 엑솔루션(ex-solution): 고온 환원 분위기(섭씨 700-800도 이상, 수소분위기)를 주었

을 때, 특정 산화물 기판 또는 지지체(주로 페로브스카이트 구조의 산화물질, 예: 

ABO3)에서 특정 금속 성분이 분리되어 기판 표면으로 나오는 현상. 주로 B 원자 사

이트에 치환된 귀금속 또는 고활성 금속이 기판 표면으로 나와 입자 형태를 이룸

  ∘ 엑솔루션 현상은 고체의 산화물 기판에 금속 원소를 도핑한 후, 환원 

환경에서 고온의 열처리를 통해 일어난다. 이러한 기존 방식은 고상 

기판 내에서 금속 원소의 느린 확산 속도로 인해 극히 일부의 금속 

원소만이 빠져나오게 되어 많은 양의 촉매 입자를 기판 위에 생성하

기 어렵고, 빠져나온 금속 원소로 인해 산화물 기판의 구조적 결함(예: 

산소 공공*)을 유발하게 된다.

  ∘ 또한, 산소와 강하게 결합하는 금속들은 지나치게 강한 환원 환경에서

만 엑솔루션되어, 산화물 기판을 분해시키게 된다. 따라서 활용 소자

의 활성과 내구성이 급격히 떨어져 촉매 기술의 한계로 지적되어 왔

다.

    * 공공(Vacancy): 격자에서 원래 있어야 할 위치에 원자가 없는 상태로 공공농도 

증가 시 격자구조의 변화가 초래될 수 있음.

□ 연구팀은 공융 용해(Eutectic melting)*와 공융 상분리(Eutectic phase 

separation)*라는 열역학적 상변화 현상을 이용하였다. 먼저 BiVO4 기판

을 졸-젤 법으로 결정화시킨 후, 원자층 증착법(Atomic layer 

deposition)을 이용하여 SnS2를 섭씨 200도에서 증착하였다.

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  ∘ 이 온도는 BiVO4와 SnS2 화합물의 공융 용해 온도보다 높아서 두 물질

을 액상으로 만들고, 이후 샘플을 상온으로 낮추었을 때 공융 상분리 

현상으로 두 물질은 다시 분리된다. 이때, SnS2는 BiVO4 기판 표면에 

박혀 있는 입자 형태로 존재하게 된다.

    * 공융 용해(Eutectic melting): 두 가지 이상의 물질이 특정 비율로 혼합될 때, 각 

물질의 개별적인 녹는점보다 더 낮은 온도에서 혼합물이 녹는 현상

    * 공융 상분리(Eutectic phase separation): 특정한 조성에서 두 가지 이상의 물질

이 공융점에서 용융된 후 냉각될 때, 두 개 이상의 상(phase)이 분리되는 현상

□ 연구팀은 실시간 X선 회절*과 실시간 투과전자현미경* 기법을 이용해 

온도를 증가시키며 관찰했을 때, 회절 콘트라스트와 회절점이 사라져 

BiVO4와 SnS2 두 물질이 액상 화합물로 변화하고 다시 온도를 상온으

로 낮추었을 때 두 고상 물질로 분해된다는 것을 확인하였다.

    * X선 회절(X-ray diffraction): 결정 구조를 가진 물질에 X선을 조사했을 때 발생하

는 회절 현상을 이용해 물질의 원자 배열과 결정 구조를 분석하는 기술

    * 투과전자현미경(transmission electron microscope): 고전압의 전자 빔(beam)을 쏘

아 얇은 물질을 투과하게 함으로써 수십만 배 이상 확대해 관찰할 수 있는 현미경

  ∘ BiVO4는 물분해 양극에 유용한 ▴작은 밴드갭(bandgap)* ▴적절한 전

도대 끝(Conduction band edge)* ▴가전자대 끝(Valence band edge)* 

위치를 가지고 있고, SnS2 역시 작은 밴드갭과 BiVO4와 Type II 밴드 

정렬*을 하여 물분해에 매우 유리하다.

  ∘ 또한, 연구팀은 BiVO4와 SnS2 표면의 결함에 비정질 황화아연(ZnS)을 

얇게 코팅함으로써 빛에 의해 생성된 전자와 홀의 재결합을 억제하고,  

비정질 층의 얕은 에너지 준위(Shallow energy level)*를 이용하여 두 

물질을 빠르게 이동시켰다.

    * 밴드갭(bandgap): 반도체나 절연체에서 전자가 존재할 수 없는 에너지 영역

    * 전도대 끝(Conduction band edge): 반도체나 절연체에서 전도대(conduction band)

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의 가장 낮은 에너지 수준

    * 가전자대 끝(Valence band edge): 반도체나 절연체에서 가전자대(valence band)의 

가장 높은 에너지 준위

    * Type II 밴드 정렬(Type II band alignment): 전도대와 가전자대가 서로 어긋나게 

정렬된 상태로, 전자와 정공의 분리 및 전하 이동이 촉진되어 광전소자에 유리한 

구조

    * 얕은 에너지 준위(Shallow energy levels): 반도체에서 도핑된 불순물 원자나 결함

이 생성하는 에너지 준위가 가전자대 또는 전도대에 매우 가까이 위치한 상태

  ∘ 그 결과, BiVO4 단일 광전극에 비해 3배에 가까운 효율 향상(0.84%→ 

2.27%)을 보였고, 24시간 동안 효율의 감소를 10% 이내로 억제할 수 

있었다.

□ 김봉중 교수는 “이번 연구 성과는 한계에 봉착한 담지형 촉매 기술 

분야에 새로운 활로를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “수소 생산 

효율을 획기적으로 높임으로써 향후 전기자동차 등에 필요한 수소 생

산 또는 가스 센서, 가스 개질, 연료전지 등 다양한 분야에서 개선을 

가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

□ GIST 신소재공학부 김봉중 교수(교신저자)가 주도한 이번 연구는, 한국

연구재단 중견연구자지원사업과 GIST-MIT 국제공동연구사업의 지원을 

받아 수행되었으며, 이번 연구 성과는 나노 분야 권위지 《Small 

Methods》에 2024년 9월 9일 온라인 게재됐다.  <끝>

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그 림 설 명

[그림1] BiVO4와 SnS2 두 물질 간의 type II 밴드 정렬 (왼쪽 위), 최종 광전자화학 

물분해 양극 반응 메카니즘 모식도 (오른쪽 위), 그리고 PLD 증착 과정 중 발생

하는 공융 용해와 공융 상분리 과정을 통한 BiVO4에 박힌 SnS2 나노입자 생성 

모식도 (아래)

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논문의 주요 내용

1. 논문명, 저자정보

 - 저널명 : Small Methods (Impact Factor: 12.4)

 - 논문명 : SnS2 Nanoparticles Embedded in BiVO4 Surfaces via Eutectic   

 Decomposition for Enhanced Performance in         

           Photoelectrochemical Water Splitting

 - 저자 정보 : Surekha(GIST 박사과정, 제1저자), Mostafa Afifi Hassan(GIST 

박사후과정, 공동 제1저자), 김명진(GIST 박사과정, 공동 

제1저자), 정완길(KBSI 연구원, 공동저자), 하준석 교수(전남대, 

공동저자), 류상완 교수(전남대, 공동저자), 김봉중 교수(GIST, 

교신저자)