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20분의 1 저렴하면서 더 오래 지속되는 그린 수소 생산 촉매 개발

고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대

화학과 이효영 교수

수소가 친환경 미래 연료로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문이다. 이른바 그린수소다. 그린수소는 미래 수소경제 시대의 핵심인 청정에너지원이지만 생산 단가가 높아, 대부분의 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 부산물로 얻거나(부생수소), 천연가스에서 추출 (개질수소)하고 있다. 즉 물 분해의 높은 비용 때문에 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 있었던 것이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진은 20분의 1 가량 저렴하고 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다. 이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다.

수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해다. 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 되었다. 최대한 빨리 수소를 분리하려면 산소 발생 속도를 높여야 한다는 뜻이다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg 당 7만 달러가 넘는데다 24시간 이상 지속하기도 어렵다.

연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 안정한 산소 촉매를 개발했다. 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다.

높은 성능의 촉매를 만들기 위해선 단계별 공정이 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 여러 단계를 거쳐 만들어진다. 그런데 산소가 발생하기 직전 단계의 중간체(OOH)는 화학적으로 불안정해 다음 단계로 넘어가지 못하는 경우가 많다. OOH* 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH*가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다.

연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH*를 안정화시킬 것이라고 가정하고, 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다. 실험 결과 이 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 높음을 확인했다. 여기에 루테늄 원자를 붙여 OOH가 산소로 넘어갈 때 에너지 장벽을 줄이고, 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다.

이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많고, 더 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다고 연구팀은 설명했다. 기존 산화 루테늄 산화물은 제곱센티미터 당 10 밀리암페어(mA/cm2)의 전류 밀도를 얻기 위해 298 밀리볼트(mV)을 필요했지만 연구팀이 개발한 전기촉매는 루테늄 산화물의 60% 수준인 180 mV면 가능했다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율을 높였다는 뜻이다.

또한 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었다. 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 되어 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.”며, “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental science, IF 30.287)' 지에 11월 4일 온라인 게재되었다.