값싼 철 촉매로 수소 에너지 쉽게 생산

■ 값싼 철 촉매로 수소 에너지 쉽게 생산

 

● 기존 귀금속 촉매 보다 저렴, 수소 생산 효율 25% 향상

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지구 온난화와 대기 오염의 주범으로 꼽히는 화석 연료 사용을 줄이기 위한 연구에 많은 과학자들이 뛰어들고 있다. 특히, 물을 전기 분해해 얻을 수 있는 수소 에너지에 대해 관심이 집중되고 있다. 수소 자동차의 경우는 연료가 수소이기 때문에 가동 중에 산소와 결합해 물을 배출하는 정도이기 때문에 친환경적이라고 평가받고 있기도 하다. 물 분해를 통해 수소를 만들어 낼 때, 투입되는 에너지를 최소화하는 것이 중요하다. 국내 연구진이 물 분해 반응 효율을 높여 전기를 적게 사용하고도 수소를 손쉽게 얻을 수 있는 방법을 찾아냈다.

 

울산과학기술원(UNIST) 화학과, 화학공학과, 한국과학기술연구원(KIST) 공동 연구팀은 철-코발트-인산을 결합시킨 촉매로 물을 분해해 수소 에너지를 손쉽게 얻을 수 있는 기술을 개발했다고 2019년 11월 25일 밝혔다. 이번에 개발한 촉매는 기존에 사용되고 있는 촉매 보다 25%나 효율이 높은 것으로 확인되기도 했다.

 

중고등학교 과학 시간에 배웠듯이 물을 분해하면 수소와 산소를 얻을 수 있게 된다. 문제는 물 분해시 산소 발생 반응은 상대적으로 느려 전체 물 분해 반응의 효율을 낮춘다는 것이다. 이를 해결하기 위해 산화이리듐, 산화루테늄을 촉매로 반응 속도를 높인다. 이리듐과 루테늄이 고가의 귀금속이기 때문에 수소 생산 비용이 높아진다는 단점을 갖고 있다.

 

연구팀은 산화 그래핀을 지지대로 해서 그 위에 철, 코발트, 인산 같은 비교적 구하기 쉽고 저렴한 물질을 이용해 산소 발생 촉진용 촉매를 만들었다. 연구팀은 최적의 촉매 분자 구조를 만들기 위해 슈퍼 컴퓨터를 이용해 이론적으로 계산한 뒤, 실험적으로 합성해 냈다.

 

이번에 개발한 철-코발트-인산 촉매는 산화이리듐 촉매 보다 전기 분해시 사용되는 전력량이 적게 들어가는 등 전반적으로 수소 생산 효율이 25% 이상 개선된 것으로 확인됐다. 이와 함께 5000번 이상 사용한 뒤에도 촉매 분자 구조가 변하지 않았고, 반응성도 떨어지지 않는 것이 관찰됐다.

 

김광수 UNIST 화학과 교수는 “기존에 사용되어 온 값비싼 상용 촉매 보다 산소 발생 반응성이 훨씬 개선된 데다 수백 배 저렴한 촉매를 개발했다는데 의미가 크다. 앞으로 연료 전지 등 여러 친환경 에너지 물질의 촉매 개발에도 유용할 것”이라고 설명했다. 이번 연구 결과는 기초 과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 실렸다.