1가천대_아주대_광운대 공동연구팀_프로필사진[가천대 제공]
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[헤럴드경제(성남)=박정규 기자]가천대 화공생명배터리공학부 김대건·안용남 교수가 아주대 박성준 교수, 광운대 이기원 교수와 함께 최근 바닷물을 직접 활용해 고효율로 수소를 생산하면서도 염화물에 의한 촉매 부식을 효과적으로 억제할 수 있는 철 인화물–탄소나노튜브(FeP@CNT) 기반 이중기능성 전기촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구결과는 환경 및 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal(영향력 지수(IF) 12.5, 저널 랭킹 상위 4.0%)에 게재됐다.

이 연구의 핵심성과는 바닷물을 직접 활용할 수 있는 고내구성 전기분해 촉매 개발, 태양전지를 활용한 저구동전압 그린수소 생산 시연,고전류 조건에서 1,000시간 이상 안정적인 수소 생산이 가능한 장수명 특성 확보다.

수전해를 이용한 그린수소 생산은 재생에너지로 물을 분해해 수소를 얻을 수 있어 탄소중립 시대의 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 대규모 수소 생산에 담수를 사용할 경우 물 자원 확보가 새로운 부담으로 작용할 수 있어, 지구상에 풍부한 바닷물을 직접 활용하는 해수 전기분해 기술이 대안으로 제시되고 있다. 다만 실제 해수는 다양한 이온을 포함하고 있어 일반적인 물 전기분해보다 반응 환경이 까다롭다는 한계가 있었다.

특히 해수에 다량 존재하는 염화이온은 전극 표면에 흡착해 촉매를 부식시키거나 산소 발생을 방해하는 부반응을 유도할 수 있어, 해수 전기분해 실용화를 위해서는 높은 촉매 활성과 염화이온 차단 능력, 장시간 성능 유지 능력을 동시에 갖춘 촉매 구조 확보가 관건으로 꼽혀왔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 금속유기골격체(MOF)를 출발물질로 활용해 철 인화물(FeP) 나노입자와 탄소나노튜브(CNT)가 긴밀하게 결합된 FeP@CNT 이종구조 촉매를 설계했다. 인화와 열분해를 동시에 진행하는 ‘PhosPy’ 공정을 통해 Fe 기반 촉매 성분이 형성되는 동시에 CNT가 자체적으로 성장하도록 유도함으로써, 활성 촉매 입자가 전도성이 높은 탄소 네트워크 내부에 안정적으로 고정되는 구조다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 철 인화물의 여러 상태 중 Fe3P의 특정 결정면이 수소 흡착뿐 아니라 수전해의 첫 단계인 물 분자 흡착에도 뛰어난 특성을 보인다는 사실을 밝혔다.

철 인화물은 물 분해 반응을 촉진하는 활성점을 제공하고, 이를 감싸는 탄소 네트워크는 전자가 빠르게 이동하는 통로 역할과 동시에 해수 속 염화이온의 접근을 선택적으로 제한하는 계면 환경을 만든다.

그 결과 태양전지나 소형전지 같은 저전압 전력원으로도 구동이 가능한 낮은 과전압 특성을 구현했으며, 개발된 촉매를 양극과 음극에 모두 적용해 1,000시간 이상의 장시간 해수 전기분해를 시연했다. 실제 수소 생산을 고려한 고전류 조건에서도 성능 저하가 거의 나타나지 않아 장기 운전 이후에도 촉매의 구조와 활성 부위가 안정적으로 유지됐다.

연구팀은 태양광과 소형 전원을 이용한 야외 구동 실험에서도 지속적인 가스 발생을 확인해, 재생에너지와 연계된 해수 수소 생산 시스템으로 확장될 가능성을 제시했다. 이번 연구는 한국연구재단 지원으로 수행됐다.


fob140@heraldcorp.com