포스텍(총장 김무환)은 김종규 신소재공학과 교수·통합과정 김재림 씨 연구팀이 한정우 화학공학과 교수·통합과정 정현정 씨 연구팀과 공동으로 값싸고 쉽게 구할 수 있는 니켈을 촉매 전극으로 사용해 물을 전기분해해 수소 연료를 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 제안했다고 6일 밝혔다.
연구팀은 친산소성 전이금속이 도핑된 고효율 니켈 기반 촉매 시스템을 개발하고, 촉매 흡착 특성과 알칼라인 수소 발생 반응 효율 사이의 상관관계를 밝혔다.
연료 전지는 산소와 수소가 물을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경적 발전장치이다. 이때 역반응으로 물을 분해해 수소 연료를 생성하는 수전해 환원은 고순도의 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 친환경적이고 지속가능한 방식으로 알려졌다. 하지만 이 방법은 값비싼 귀금속을 수전해 전극으로 사용해야 하는 등 비용이 높고 생산효율이 낮다는 단점이 있다. 물 전기분해를 통해 생산되는 수소 연료의 단가를 낮추기 위해서는 수소발생 효율을 극대화할 수 있는 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다.
연구팀은 기존 귀금속 전극에 비해 값싸고 풍부한 니켈에 친산소성 이종금속 물질을 결합해 알칼라인 수소 생산 반응에 최적화된 흡착 세기를 갖도록 고효율 촉매 소재를 설계했다. 비귀금속 물질 조합을 통해 촉매 표면의 흡착 특성을 효과적으로 제어할 수 있음을 밝혔다.
또 나노 물질을 기판에 증착시키는 공정에서 기판을 기울이거나 회전시키는 간단한 방법으로 다양한 촉매 물질의 나노 구조를 쉽게 구현할 수 있는 '경사각증착법'을 도입했다. 최적의 나노 구조 조합을 통해 귀금속 백금 촉매를 대체할 수 있는 고활성·고안정성 비귀금속 '3차원 나노 스프링 촉매 전극'을 구현했다. 이렇게 제작된 나노 스프링 어레이 구조는 기존 니켈 박막 촉매와 비교해 과전압을 4배 이상 감소시키는 등 수소 생산 효율을 극대화시킬 수 있음을 확인했다.
김종규 교수는 “지속 가능한 신재생에너지-수소 연료 전환시스템의 고효율화 및 실용화를 위한 학문적 토대뿐만 아니라 실용화의 단초를 제공한다는 점에서 큰 의미를 지닌다”고 말했다.
수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 국제학술지 '미국화학회지' 표지 논문(Front Cover Paper)으로 선정됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
