- UNIST 박혜성 교수팀, 내구성 뛰어난 수전해 설비용 이기능성 비귀금속 촉매 개발

수소에너지.[123RF]
수소에너지.[123RF]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 탄소 중립 시대를 구현할 핵심기술 중 하나는 바로 수전해 기술이다. 전기에너지로 물을 수소와 산소로 분리해내는 기술이다. 탄소배출 없이 청정 원료인 수소를 생산할 수 있다. 상용화 관건은 값싸고 오래가는 촉매 물질 개발인데 국내 연구진이 이같은 성능을 구현한 신개념 촉매를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 박혜성 교수·동국대 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 공동연구팀은 비 귀금속 기반 이기능성(bifunctional) 수전해 촉매를 개발했다. 값비싼 귀금속 촉매 보다 효율은 우수하고 내구성은 월등히 뛰어나다. 촉매는 전극에서 발생하는 화학반응의 소모 에너지를 낮추는 물질이다.

개발된 촉매는 수전해 장비의 음극과 양극 모두에 코팅해서 쓸 수 있는 이기능성 촉매다. 일반적인 수전해 장비는 음극과 양극에 다른 촉매를 쓴다. 음극과 양극에서 각각 수소와 산소가 나오는 다른 반응이 일어나기 때문이다. 반면 이 촉매는 음극과 양극에 다 쓸 수 있어 수전해 장비 제작 공정을 단순화해 비용을 절감할 수 있다.

개발된 촉매를 이용한 수전해 실험.[UNIST 제공]
개발된 촉매를 이용한 수전해 실험.[UNIST 제공]

촉매 자체의 제조 공정도 간단하다. 작은 쇠구슬이 담긴 원통 용기에 원료를 넣고 돌리기만 하면 된다.

이 촉매는 1㎝2 크기 전극에 100 밀리암페어(㎃)의 전류를 흘리는 실험에서도 손상 없이 2500시간 이상 안정적으로 작동했다. 일반적 수전해 촉매는 동일한 면적에 50 밀리암페어 이상의 전류를 흘리면 촉매가 전극에서 벗겨지기 시작하는(탈착) 내구성 문제가 있었다. 전류량은 수소 기체 생산량과 비례하기 때문에 고 전류밀도에서 내구성이 유지돼야 상업화가 가능하다. 뿐만 아니라 고온, 고전해질 농도와 같은 가혹한 작동 환경에서도 뛰어난 안정성을 보여줬다.

박혜성 교수는 “수전해 기술의 상업화를 위해서는 촉매 효율 자체도 좋아야 하지만 촉매를 값싼 공정으로 대량 생산할 수 있어야 하고, 촉매 수명도 길어야 한다”며 “이번 연구로 이런 조건을 동시에 만족하는 촉매를 개발했다”고 설명했다.

왼쪽부터 오남근 연구원과 서지형 연구원.[UNIST 제공]
왼쪽부터 오남근 연구원과 서지형 연구원.[UNIST 제공]

이번 성과는 다방향 전자이동을 활용한 덕분이다. 촉매를 구성하는 전이금속칼코겐화합물, 페로브카이트산화물, 알카리금속 간의 전자이동을 통해 이기능성 촉매의 성능을 개선하는 기술이다. 연구진은 이 같은 개념을 이번 연구에서 최초로 제안하고 이를 실험적으로 입증했다.

연구팀은 전이금속칼코겐화합물로는 몰리브덴다이셀레나이드(MoSe2)를, 페로브스카이트산화물로는 란탄스트론튬코발트산화물(La0.5Sr0.5CoO3-δ)을 썼다. 전이금속칼코켄화합물 표면에는 알칼리 금속인 칼륨(K)이 코팅돼 있다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 7월 29일자 온라인판에 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com