국내 연구진이 매장량이 풍부한 전이금속 기반 소재를 활용해 친환경 그린수소를 기존보다 저렴하게 생산이 가능한 전기촉매 개발에 성공했다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 권영국 교수팀은 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철 기반 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.
수소는 탄소배출이 없는 친환경 에너지 운반체로 주목받고 있으나 현재 생산되는 수소의 90% 이상이 화석연료 기반 메탄 개질방법을 통해 생산된다. 이는 그린수소의 생산 과정에서 가격경쟁력이 떨어지기 때문이다. 즉 탄소배출 없는 친환경 그린수소 생산을 위해서는 저비용·고성능의 전기촉매 소재 기술이 필요하다.
기존의 상용 기술인 '알칼라인 수전해'는 낮은 생산성 및 반응성의 문제를 가지고 있으며, '양이온 교환막 수전해'는 내식성이 강하지만 비싼 귀금속 사용이 불가피했다. 이러한 단점을 보완하기 위해 '음이온 교환막 수전해' 기술이 개발됐지만 기존에 비해 성능 및 수명이 낮아 아직 연구단계에 머물러 있다.
이에 더해 연구팀은 기존 알칼라인 전해질을 사용하는 것보다 초순수(Ultra Pure Water)를 사용하여 전체적인 수전해 시스템의 장기 안정성을 확보할 필요성이 있다고 설명했다. 그러나 초순수전해의 경우 산성 혹은 알칼라인 수전해보다 추가적인 에너지가 필요해 적합한 촉매 개발이 더 어렵다.
연구팀은 전기도금과 질화공정을 통해 바나듐-니켈-철 옥시수산화물 표면에 니켈 질화물을 성장시켜 비귀금속 기반 고성능 산소발생촉매를 제조했다.
개발된 촉매는 알칼라인 조건에서 실질적으로 상업화에 필요한 전류밀도(500mA/㎠)의 두 배를 낮은 전압(270mV)에서 도달했고 1000시간 동안 손상 없이 안정적으로 구동됐다. 뿐만 아니라 초순수 환경에서도 전류밀도 685mA/㎠를 나타내 우수한 성능을 보였다. 이는 기존 귀금속 촉매 기반 성능 대비 약 두 배가량 높은 수치다.
권영국 교수는 "촉매의 기본 요소인 성능과 안정성을 동시에 확보하는 것은 수전해 기술 상업화에 필수적"이라며 "촉매 개발에 있어 기존 촉매의 단점을 잘 이해하고 이를 해결하기 위한 노력으로 수소경제 실현에 이바지하겠다"고 말했다.
이번 연구는 지난 2월 10일 출판된 에너지·환경과학 분야 국제학술지 '어드밴스트 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials)에 표지 논문으로 개제됐다.
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