사진 왼쪽부터 김건태 교수, 양예진 연구원, 백종범 교수, 김정원 연구원(사진=UNIST 제공)
물을 전기로 분해해 수소를 생산하려면 전기화학 반응을 위한 촉매가 꼭 필요하다.
유니스트(UNIST, 울산과학기술원, 총장 이용훈) 연구진이 기존 촉매 보다 저렴하면서 안정성도 우수한 촉매를 개발했다.
유니스트 에너지 및 화학공학부의 김건태 · 곽상규 · 백종범 교수팀은 21일 산도(pH)를 가리지 않고 안정성이 뛰어난 루테늄(Ru) 기반 촉매를 개발했다.
기존 촉매이자 귀금속인 백금(Pt) 촉매는 염기성 전해질에서 내구성이 떨어진다.
하지만 이번에 개발된 촉매는 염기성과 산성, 중성 용액 등 산도를 가리지 않고 잘 작동한다.
순수한 물은 전기가 통하지 않는다.
전기화학 반응을 일으키기 위해서 염기성이나 산성 전해질을 첨가한다. 촉매는 이 때 반응에 필요한 에너지 줄여주는 물질.
소모되는 에너지를 많이 줄여줄수록 효율적인 촉매이다.
하지만 물 분해와 같은 각종 전기화학반응을 상업적으로 이용하려면 효율성과 더불어 장시간 동안 작동할 수 있는 내구성도 갖춰야 한다.
기존 많이 사용되는 백금의 경우 효율은 높지만 염기성에서 쉽게 부식(산화)돼 내구성이 떨어진다는 단점이 있다.
루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도(자료=UNIST 제공)
공동 연구팀은 루테늄을 그래핀 가장자리에만 결합 시키는 방식을 이용했다.
그래핀 지지체 평면(basal plane)이 손상되는 것을 막아 효율과 내구성 모두 높다.
루테늄 금속을 지지해 주는 역할을 하는 그래핀의 가장자리에만 질소를 첨가했다.
즉, 루테늄이 질소를 따라 가장 자리 부분에만 결합하는 현상을 이용한 거다.
질소는 전자를 받으려는 성질이 강하고 루테늄은 전자를 주려는 성질이 강하기 때문이다.
촉매는 또 물 전기 분해 시스템과 수계 금속-이산화탄소 시스템에 적용한 결과 우수한 수소 발생 반응성과 내구성을 보여줬다.
특히 물 전기 분해 시스템에서는 산도에 관계없이 1500시간 동안 시간 작동했다.
공동 제 1저자 김정원 유니스트 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "실험 결과 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 수소 발생 효율을 알 수 있는 전류밀도 값도 백금보다 높았다"고 말했다.
김건태 교수는 "선택적 도핑을 통해 가격도 저렴하고 중성을 포함한 모든 산도에서 우수한 성능을 보이는 촉매를 개발했다"고 말했다.
이어 "이산화탄소가 포화된 중성 환경에서도 잘 작동하기 때문에 물 전기 분해 시스템뿐만 아니라 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화에도 큰 도움이 될 것"이라고 했다.
연구결과는 에너지 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 지난 6일자 온라인으로 공개됐다.