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물에서 수소 만드는 새로운 촉매 개발수전해 방식 수소 생산 상용화 기반 마련
김호준 기자  |  reporter@igasnet.com
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승인 2020.06.21  
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국내 연구진이 전기를 이용해 물에서 수소를 생산에 필요한 새로운 물질을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 지난 6월 4일 자연과학부 화학과 김광수 교수 연구팀이 이론적 계산을 통해 물 전기 분해 효율을 높일 ‘금속 유기물 복합체’ 촉매를 개발했다고 밝혔다.

염기성 전해질에서 사용 가능한 이 촉매는 수전해 기술에서 ‘병목 현상’으로 지목되는 산소 발생 반응을 촉진해 전체 반응 효율을 높인다.

연구진에 따르면 이 물질을 이용하면 기존의 물 전기분해 방식에서 사용하는 물질을 이용했을 때 보다 수소를 만들어내는 속도가 더 빨라질 뿐 아니라 니켈과 철을 이용해 기존 재료보다 저렴하다고 말했다.

물을 전기분해(수전해)할 때 촉매의 음극에서는 수소가 발생하고 양극에서는 산소가 발생한다. 이때 양극에서 산소가 늦게 만들어져 수소 생산까지 영향을 준다.

이에 연구진은 니켈과 철을 포함하는 금속 유기 골격체(MOF)를 이용해 개발한 촉매로 새로운 해결방안을 제시했다. 금속 유기 골격체는 금속과 유기물이 마치 건축물의 철근 같은 뼈대 모양을 이루는 물질이다. 미세한 크기의 구멍이 많아 표면적이 넓고 촉매 반응이 일어나는 금속 원자가 표면에 노출 된다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 상용 촉매에 사용되는 이리듐에 비해 니켈과 철은 매장량도 많고 가격도 저렴하다. 이를 이용한 촉매는 전기를 이용해 수소를 빨리 만드는데 걸림돌로 작용하는 산소 발생 반응을 촉진해 수전해 반응을 촉진한다.

연구진은 이번에 개발된 촉매가 기존 산화이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로(과전압) 많은 양의 수소(전류밀도)를 생산해 낼 수 있다고 설명했다. ‘알칼리 음이온 교환막 수전해 장치’를 만들어 실제 촉매의 성능을 평가한 결과 300mV(밀리볼트) 전압에서 단위 면적(cm2)당 0.5A(암페어)의 전류 밀도를 달성했다. 연구진은 “이 결과는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이며 1,000시간 이상을 작동했을 때도 우수한 내구성을 보였다”고 말했다.

연구책임자 김광수 교수는 “이번 연구를 통해 느린 '산소 발생 반응' 속도 문제를 개선했고, 기존 상용 촉매의 가격과 안정성 문제도 동시 해결할 수 있었다”며 “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용 될 수 있을 것”이라고 기대했다.

 

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