■ 물에서 수소 만드는 촉매, 세계 최고 성능 개발

 

■ 물에서 수소 만드는 촉매, 세계 최고 성능 개발

 

● 기존 촉매 보다 61% 향상, 5배 빠르게 물 분해해 수소 생산

 

국내 연구진이 수소경제와 탄소중립 실현을 앞당길 물에서 수소를 생산해내는데 필요한 세계 최고 수준의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존에 사용하는 촉매보다 61% 성능이 향상됐다. 또한 기존 금속으로 만든 촉매보다 5배 빠르게 물을 분해하여 수소를 만들어냈다. 한국에너지기술연구원은 플랫폼연구실 김병현 박사팀이 저렴한 그린수소 생산의 핵심인 고성능. 고내구성을 확보한 수전해 촉매를 개발했다고 2021년 06월 03일 밝혔다. 이번 촉매 개발은 에너지기술연구원의 수소연구단 조현석. 김창희 박사와 경북대 김명진 교수, 미국 조지아텍 이승우 교수가 공동연구를 통해 이룬 성과이다.

 

연구진은 촉매용 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원 온도가 서로 다르다는 것에 착안했다. 정밀한 환원 온도 제어로 나노입자를 표면으로 분리시켜 뽑아내는 최적의 방법을 개발했다. 이를 이용해 500℃의 환원 온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를, 550℃의 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생성해 서로 다른 금속나노입자-금속산화물 촉매를 생산했다. 연구진은 니켈-금속산화물로 만든 산소발생 촉매와 니켈루테늄-금속산화물로 이뤄진 수소발생 촉매를 수전해 장치의 양극과 음극에 적용했다.

 

그 결과, 기존 이리듐, 백금 촉매를 사용한 상용 수전해 장치보다 61% 성능이 향상되어 수소를 많이 만들어냈다. 또한, 30시간의 오랜 작동에서도 98% 이상의 성능을 유지하여 높은 내구성을 가졌다. 특히 연구에 사용된 금속산화물의 표면이 금속 표면에 비해 약 5배 정도 빠르게 물 분해 반응을 촉진시켰다. 김명진 교수는 "이 촉매 기술은 하나의 모체에서 온도 조절만으로도 산소 촉매와 수소 촉매를 동시 생산할 수 있다"고 설명했다.

 

● 에너지기술연구원, 금속산화물에 나노금속 입혀 촉매 개발

 

한편, 연구진은 다양한 전기화학적 분석, 실시간 X-선 흡수 분광법 및 계산 과학을 이용하여 분석했다. 그 결과 촉매 성능 향상의 주요 원인은 금속 나노입자-금속 산화물의 다양한 시너지 효과였다. 수전해 장치에서 산소 발생이 잘 일어나기 위해서는 금속 산화물의 높은 전하 이동 특성이 중요하다. 니켈-금속 산화물로 이뤄진 산소 발생 촉매는 환원 온도 제어를 통해 나노 입자를 형성하는 과정에서 내부에 원자 단위 산소의 빈자리 결함이 생긴다. 연구진은 산소 빈자리 결함이 금속 나노입자-금속산화물 간의 전하 이동 향상을 유도하여 전기화학적 특성을 향상시키는 주요 요인이라는 것을 밝혀냈다.

 

따라서, 이번 연구를 통해 개발한 니켈-금속 산화물 촉매의 니켈 금속 나노입자가 향상된 전하 이동으로 산소 발생 반응에 매우 효과적으로 잘 알려진 니켈옥시하이드록사이드로 쉽게 변환될 수 있음을 확인했다. 수소 발생은 물 분자가 분해되어 수소 이온이 촉매 표면에 흡착이 일어나는 반응과 흡착된 수소 이온이 서로 만나는 반응을 통해 일어난다. 연구진이 개발한 니켈 루테늄-금속 산화물 촉매가 금속 산화물 표면에서는 빠른 물 분해 반응이, 금속 나노입자에서는 우수한 수소 발생 반응이 일어나는 것을 확인했다. 김병현 박사는 "계산 과학을 바탕으로 수전해 촉매의 성능 향상 원인을 규명했으며, 이번 결과가 새로운 촉매를 디자인하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 강조했다. 이번 연구결과는 영국 왕립 화학회에서 발행하는 에너지·환경 분야 세계적 권위지인 Energy & Environmental Science 2021년 05월 표지 논문으로 게재됐다.