[투데이에너지 박설민 기자] 적은 양의 에너지로 수소를 얻기 위한 연구가 세계적으로 진행되고 있는 가운데 국내 연구진에 의해 극소량 에너지로 수소를 생성하는 전기촉매가 개발됐다.
울산과학기술원(총장 정무영, 이하 UNIST) 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 수전해 전극 촉매물질 개발에 성공했다고 30일 밝혔다.
이번 연구결과로 개발된 촉매는 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함자리에 ‘루테늄(Ru) 단일원자’와 ‘질화된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’들이 혼성된 새로운 촉매이다.
현재 백금 촉매는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 가장 효율적인 촉매이나 희귀하고 고가인 물질이기 때문에 이를 대체하면서 상업적으로 활용가능한 물질이 꾸준히 개발되고 있다.
그러나 지금까지 개발된 촉매의 효율은 백금과 비슷한 수준이며 산성이나 염기성 매질 중 한쪽에서 성능이 저하되거나 내구성이 낮아졌다.
이번에 연구팀은 탁월한 수소발생반응 활성화 능력과 산성과 염기성 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매구조를 개발했다.
슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학계산으로 촉매반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매구조를 알아냈으며 ‘구’모양의 탄소 구조체인 풀러렌을 이용해 촉매를 감싸면서 안정성을 더했다.
이론적 계산에 따르면 루테늄(Ru) 원자 1개가 평면상에서 질소(N) 원자 2개와 탄소 원자 2개를 이웃으로 두는 배치를 가지면(Ru-N₂C₂) 촉매 활성도가 높아진다.
또한 루테늄 단원자와 질화(Nitriding, 질소와 결합한)된 루테늄 나노입자가 섞여 있으면 전기전도성이 커져서 전기화학적 효율과 활성도 반응속도 등이 크게 개선된다.
새로 개발된 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한 알려진 전극촉매 중 가장 낮은 7mV의 과전압을 기록했다.
과전압이 낮을수록 수소 생성에 드는 에너지소비가 적은 효율적인 촉매가 되는데 새로운 촉매는 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율이 100%에 가까웠다.
김광수 UNIST 교수는 “새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”라며 “액체추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소발생반응을 촉진하는 촉매로 사용가능할 것”이라고 말했다.
