세계 권위 학술지 7월29일자 온라인판 게재 탄소 배출 없는 청정 원료인 수소를 값싸게 생산할 수 촉매 물질이 울산과학기술원(UNIST)을 중심으로 한 연구진에 의해 개발됐다.
UNIST(유니스트)는 신소재공학과 박혜성 교수 연구팀이 동국대 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 등과 함께 비 귀금속 기반 이기능성(bifunctional) '수전해' 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.
'수전해'는 전기에너지로 물을 수소와 산소로 분리해내는 기술로, 이번에 개발된 촉매는 값비싼 귀금속 촉매보다 효율은 우수하고 내구성은 월등히 뛰어나다. 촉매는 전극에서 발생하는 화학반응의 소모 에너지를 낮추는 물질이다.
개발된 촉매는 수전해 장비의 음극과 양극 모두에 코팅해서 쓸 수 있는 이기능성 촉매다. 일반적인 수전해 장비는 음극과 양극에 다른 촉매를 쓴다.
음극과 양극에서 각각 수소와 산소가 나오는 다른 반응이 일어나기 때문이다. 반면 이 촉매는 음극과 양극에 다 쓸 수 있어 수전해 장비 제작 공정을 단순화해 비용을 절감할 수 있다.
촉매 자체의 제조 공정도 간단하다. '볼밀공정'이라고 해서, 작은 쇠구슬이 담긴 원통 용기에 원료를 넣고 돌리기만 하면 된다.
이 촉매는 1㎠ 크기 전극에 100밀리암페어(㎃)의 전류를 흘리는 실험에서도 손상 없이 2500시간 이상 안정적으로 작동했다. 일반적 수전해 촉매는 동일한 면적에 50㎃ 이상의 전류를 흘리면 촉매가 전극에서 벗겨지기 시작하는(탈착) 내구성 문제가 있었다. 개발된 촉매의 내구성이 기존 것보다 2.5배나 향상된 것으로 파악됐다.
전류량(전류밀도)은 수소 기체 생산량과 비례하기 때문에 고 전류밀도에서 내구성이 유지돼야 상업화가 가능하다. 이뿐만 아니라 고온, 고전해질(산·염기) 농도와 같은 가혹한 작동 환경에서도 뛰어난 안정성을 보여줬다.
박혜성 교수는 "수전해 기술의 상업화를 위해서는 촉매 효율 자체도 좋아야 하지만, 촉매를 값싼 공정으로 대량 생산할 수 있어야 하고, 촉매 수명도 길어야 한다"며 "이번 연구로 이런 조건을 동시에 만족하는 촉매를 개발했다"고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단의 '기초연구실지원사업' '중견연구자지원사업'의 지원으로 진행됐다. 연구 성과는 세계적인 권위 학술지인 '네이처 커뮤니케이션'(Nature Communications) 7월 29일자 온라인판에 게재됐다.
KPI뉴스 / 박동욱 기자 pku24@kpinews.kr
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