'그린수소' 생산 효율 높이는 '고성능 촉매' 개발됐다

김나윤 기자 / 기사승인 : 2021-10-14 18:27:59
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뛰어난 속도로 요소에서 수소를 생산하는 단일 원자 촉매 발견
IBS "단일 금속 원자의 중량 늘려 낮은 전압에서도 생산 가능"
▲요소 산화반응을 이용한 수소 생산 전기 셀(사진=IBS)

국내 연구진이 낮은 전압에서도 수소를 생산할 수 있는 전기분해 촉매를 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이효영 부연구단장 연구팀은 낮은 전압에서도 수소 생산이 가능한 고성능 전기분해 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

수소는 탄소중립을 위한 대체 연료로 주목받고 있다. 하지만 현재 대부분의 상업용 수소연료는 화석연료를 정제해서 생산한다. 이 과정에서 온실가스가 배출되는 것이 문제다. 탄소배출없이 생산하는 수소는 그린수소라고 불리며 물을 전기분해해 생산할 수 있다. 하지만 물 전기분해는 느린 산소 발생 반응으로 인해 높은 전압이 필요해 효율이 상당히 낮다.

연구팀은 물 전기분해를 요소 산화반응으로 대체하면 낮은 전압에서도 수소를 추출할 수 있다는 점에서 이번 연구를 시작했다. 수소 생산에 드는 에너지를 절약해 효율을 높일 수 있다는 것이다. 특히 요소는 상온에서 고체 상태로 존재해 운반, 저장이 쉽다는 장점이 있어 관련 연구가 활발히 진행중이다.

다만 단일 금속 원자 기반 촉매는 나노물질기반 촉매보다 성능이 뛰어나지만, 쉽게 이동해 응집하는 경향으로 인해 실제 활용이 어렵다는 문제가 있다. 또 현재 요소 산화반응 속도를 높이는 촉매로 백금 및 로듐과 같은 귀금속 기반 촉매가 쓰이지만, 매우 비싸고 장기간 사용 시 성능이 떨어진다.

▲로듐 단일 금속 원자를 2배 올린 모식도(사진=IBS)

이에 연구팀은 단일 금속 원자를 다량 탑재해 요소 산화반응을 앞당길 수 있는 전기분해 촉매를 개발했다. 물질 표면을 변형해 요소 산화를 증진하는 기술이다. 연구팀은 액체질소 냉각법을 이용해 산화코발트 표면을 변형한 뒤 로듐 단일 금속 원자를 기존보다 2배 더 많이 추가했다. 그 결과 산화코발트가 변형된 표면은 로듐 단일원자의 중략을 200% 더 높게 안정시켰다. 이로 인해 로듐 이동 에너지 장벽이 원래 표면보다 높아져 이동 및 응집 현상이 억제됐다.

다시 말해 변형된 산화코발트 표면에 안정된 로듐의 높은 중량이 알칼리성 및 산성 촉매 모두에서 요소 산화 활성 및 안정성이 탁월했다. 이는 상용화된 촉매보다 훨씬 우수한 수준이다. 상용화된 전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 생성됐고, 구조 변화 없이 100시간 동안 안정적인 양상을 보였다. 그리고 요소의 전기 분해는 기존 물 전기 분해 방식보다 수소 생성과정에서 에너지를 약 16.1% 절약할 수 있다.

로듐뿐만 아니라, 백금과 이리듐, 루테늄 기반 단일 금속 원자들도 변형 표면 전략을 이용해 고중량으로 탑재할 수 있다는 점은 이번 연구의 상용화 가능성을 시사한다. 이러한 발견은 해당 분야에서 이번이 처음이다.

이 부연구단장은 "단일 원자 촉매 분야의 오랜 문제였던 단일 원자의 고중량을 안정화하는 일반적인 전략을 제시하고 있다"고 설명했다. 특히 이번 연구를 계기로 탄소 배출 제로 및 에너지 절약 수소 경제에 한 발 더 다가갈 전망이다. 고효율 요소 산화 전기촉매는 화석연료 공정에서 벗어나, 저렴한 가격과 친환경적인 방식으로 고순도 수소를 생산할 수 있다. 수소 공정에 요소가 풍부한 폐수를 사용해 폐수로 인한 수질오염 문제도 완화될 것으로 전망된다.

해당 연구는 지난달 30일 국제 학술지 '에너지와 환경과학'(Energy&Environmental Science)에 게재됐다.

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