극소량 에너지로 수소 만드는 고효율 촉매 개발

국내 연구진이 극소량의 에너지로 수소 생산이 가능한 고효율 촉매를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 지난 7월 30일 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수의 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다고 밝혔다.

백금은 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 가장 효율적 촉매이지만 워낙 비싸고 구하기 힘들어 이를 대체할 물질이 꾸준히 개발되고 있다. 그러나 지금까지 보고된 촉매의 효율은 백금과 비슷한 수준인 데다 산성이나 염기성 매질 중 한쪽에서 성능이 저하되거나 내구성이 낮아졌다.

이에 연구팀은 수소발생반응을 활성화시키는 능력이 탁월하면서도, 산성과 염기성 용액 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 이는 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함자리에 ‘루테늄(Ru) 단일원자’와 ‘질화(질소가 새로운 원자와 결합해 화합물을 생성하는 것)된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’들이 혼성된 새로운 촉매이다.

연구진은 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아냈다. 이와 함께 구(球) 모양의 탄소 구조체인 풀러렌을 이용해 촉매를 감싸면서 안정성까지 더했다.

과전압이 낮을수록 수소 생성에 드는 에너지 소비가 적은데 새로 개발된 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)보다 낮은 과전압인 7㎷를 기록했다. 이는 전극 촉매 중 가장 낮은 수치다. 또한 새로운 촉매는 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율이 100%에 가까웠다.

김광수 교수는 “새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”며 “액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소발생반응을 촉진하는 촉매로 사용 가능할 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)의 2019년 7월호 표지 논문으로 출판됐다.