- 다양한 환경에서 사용 가능
물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 기술의 핵심소재인 촉매를 기존 백금보다 저렴하면서 고효율의 성능을 보이는 새로운 촉매가 개발했다.
UNIST는 지난 11월 12일 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀이 백금 가격의 4%에 해당하는 루테늄(Ru)을 그래핀에 담은 새로운 촉매 물질인 ‘루테늄엣그래핀(Ru@GnP)’을 개발했다고 밝혔다.
UNIST에 따르면 이 물질은 현재 상용화된 백금 촉매를 능가하는 성능을 갖추고 반영구적으로 사용 가능한 내구성을 지녀 현재 백금 촉매를 대체할 차세대 촉매로서 주목받고 있다.
현재 수소는 우주 질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소로 미래친환경 에너지 자원으로 꼽히고 있다. 하지만 현재 사용되는 수소는 주로 석유나 석탄, 천연가스 등 화석연료에서 분리해 얻는 것이 대부분이다. 특히 이 방법은 제조단가는 낮지만 수송비가 높고 환경오염을 유발하는 단점이 존재해 이를 해결하기 위해 전기를 이용, 물에서 수소를 분리하는 수전해방식이 주목받고 있다.
연구팀은 물의 전기분해에서 고효율을 달성하려면 수소발생반응이 일어나는 데 필요한 최소 전압(과전압)이 낮고 반응속도가 빨라야 한다고 밝혔다. 또한 지금까지 두 조건을 만족시키는 가장 우수한 물질로는 백금이 꼽혔지만 귀금속이라 비싸고 물에서 전기화학적 안정성이 낮아 조금씩 닳는 문제가 있었다. 더욱이 백금을 대신할 비귀금속 기반 촉매 연구도 많았으나 물에서 산화되는 문제점을 해결하기 어려웠다.
이에 연구팀은 저가의 구금속인 루테늄 염(Ru salt)과 초산기(-COOH)가 붙은 그래핀을 물 속에 넣고 교반시켰다. 이를 통해 자연스러운 화학반응이 일어났고 이 상태에서 열처리를 진행해 루테늄엣그래핀을 제조했다. 이 과정에서 연구팀은 금속과 그래핀 복합체를 간단한 방식으로 생산해 가격경쟁력을 한 층 더 강화시켰다. 특히 연구팀에 따르면 루테늄엣그래핀 촉매는 물 분해 반응에 필요한 과전압을 백금 촉매보다 더 낮추는 뛰어난 성능을 보였다. 아울러 물의 산·염기 농도에 따라 크게 영향을 받는 기존 백금 촉매와는 달리 대체로 일정한 성능을 보였다.
백종범 교수는 “금속과 그래핀 복합체를 저렴하게 대량생산할 길을 개척하고 이를 통해 상업적 경쟁력을 갖춘 물 분해 촉매를 개발한 것”이라며 “물의 산·염기 농도에 관계없이 우수한 성능을 보이기 때문에 다양한 환경에서도 사용할 수 있다”고 전했다.
김호준 기자 reporter@igasnet.com
