포스텍은 이인수 화학과 교수, 통합과정 장선우 씨, 슈만 듀타 박사 연구팀이 물 분해를 촉진해 수소에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 '샌드위치 구조 촉매'를 개발했다고 19일 밝혔다.
수소연료전지는 산소와 수소가 물을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경적 발전장치다. 태양광이나 풍력에서 얻어지는 잉여전류를 사용해 물을 분해하고 수소를 생성하는 방법은 고순도 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 쉬우면서 친환경적인 방식으로 여겨진다. 하지만 생산 효율이 낮고 비용이 높다는 단점이 있다. 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다.
백금(Pt)은 수소생성 반응에 가장 적합한 촉매 물질로 여겨져 왔지만, 물 분자에 대한 낮은 친화도와 이에 따른 느린 물 분해 속도 때문에 알칼리 전해질 조건에서 이뤄지는 상업적인 공정에 적용하는 데에 어려움이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 물 분해반응을 촉진하는 금속-수산화물을 백금 나노입자와 결합하려는 많은 시도가 이뤄졌으나, 백금/금속-수산화물 계면의 불안정한 특성으로 인해서 촉매의 내구성이 떨어지는 약점이 있다.
연구팀은 촉매의 효율과 내구성을 동시에 향상하기 위해서 2차원 형태 백금/금속-수산화물 계면을 설계했다. 수나노미터(㎚) 두께로 박리된 니켈/철-수산화물 표면에 약 1㎚의 백금층을 성장시키는 독창적인 방법으로 다공성 2D-백금-나노판 사이에 2D-니켈/철-수산화물-나노판이 끼어 있는 샌드위치 형태의 2D-2D 나노하이브리드 물질을 합성하는데 성공했다.
기존의 촉매 물질에 비해 6배 이상 높은 활성을 나타냈으며, 50시간이 넘는 장시간 물 분해 수소생산 과정에서도 활성의 감소 없이 촉매 기능을 안정적으로 유지하는 것으로 확인됐다.
이인수 교수는 “샌드위치 촉매는 탄소 지지체를 사용하지 않는 물질 중에서 가장 높은 알칼리 용액 수소 발생 촉매 활성을 지니면서도, 불과 3~5시간 정도에서 안정적인 유사 전기화학 촉매보다 크게 향상된 내구성을 보이는 촉매 물질”이라고 말했다.
한국연구재단 리더연구자지원사업 지원으로 수행된 이번 연구는 최근 미국화학회 국제학술지 'ACS 나노'에 최근 발표됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
