[투데이에너지 윤예슬 기자] 기초과학연구원(Institue for Basic Science 이하 IBS, 원장 노도영)이 기존보다 생산성이 6배 높은 수소생산촉매를 개발했다.
기초과학연구원은 24일 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진이 원가는 20배 저렴하면서 생산성은 약 6배 높고 최소 4배 더 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다고 밝혔다.
친환경 미래 연료로 수소가 각광받고 있는 가운데 물 분해르 통한 수소 생산은 단가가 높아 대부분 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 얻고 있는 상황이다.
이로 인해 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 발생했었지만 이번 연구 결과로 이런 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다.
전기분해는 수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법으로 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 것이다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서 생산성을 낮추는 원인이 됐다.
생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO₂)과 이리듐 산화물(IrO₂)이 쓰이지만 가격이 1kg 당 7만달러가 넘는데다 24시간 이상 지속되기도 어려웠다.
연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했으며 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능하다.
높은 성능의 촉매를 만들기 위해서는 속도 결정 단계가 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 4단계를 거쳐 만들어지는데 이 중 산소 발생 직전 단계인 OOH 흡착 분자(adsorb)는 안정화가 어려워 다음 단계인 산소 발생 효율이 낮았다.
OOH 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다.
연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH를 안정화시킬 것이라 예상하고 이에 따라 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했으며 그 결과 촉매 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 높음을 확인했다.
여기에 루테늄 원자를 더해 속도 결정단계에서 에너지 장벽을 줄이고 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다.
이렇게 개발한 촉매는 기존대비 생산량이 약 6배 많았고 훨씬 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다.
산소 발생속도가 빠를수록 전류밀도 전류 밀도가 증가하는데 기존 산화 루테늄(RuO₂)은 제곱센티미터 당 10mA/cm₂의 전류 밀도를 얻기 위해 298mV를 필요로 했던 반면 연구진이 개발한 전기촉매는 180mV가 필요하다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율이 높다는 뜻이다.
또한 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었지만 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 돼 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했다.
이효영 부연구단장은 “물 분해를 통한 친환경 수소를 석유·석탄 부생 수소보다 싼 가격으로 만드는 일은 오랫동안 한계에 직면해 있었다”라며 “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구 결과는 환경·에너지분야의 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental science, IF 30.287)’지에 지난 4일 온라인 게재됐다.