국내 연구진이 세계 최고 수준의 수전해 촉매를 개발했다. 관련 원리도 규명해 다양한 전기화학 촉매 분야에 기술이 적용 될 것으로 기대된다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 김병현 플랫폼연구실 김병현 박사팀이 김명진 경북대 교수, 이승우 미국 조지아텍 교수와의 공동연구로 고성능, 고내구성 수전해 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다. 이번 연구 성과는 영국왕립화학회(RSC)에서 발행하는 '에너지&인바이론먼털 사이언스' 5월 표지논문으로 게재됐다.
친환경 수소생산법인 수전해 방식은 온실가스를 배출하지 않는 친환경성에도 불구하고 높은 전력비용이 상용화 걸림돌이 됐다. 고성능·고내구성 촉매개발이 요구된다.
연구진은 금속산화물을 이루는 양이온 환원 온도가 서로 다르다는 것에 착안했다. 정밀한 환원 온도 제어로 용리(합금이나 화합물이 가열될 때 내부 금속이 표면으로 나오는 현상)되는 나노입자 조성을 최적화하는 방법을 개발했다. 500도 환원 온도에서는 니켈 나노입자를, 550도 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 금속산화물 표면에 생성해 금속나노입자-금속산화물 촉매를 성공적으로 생산했다.
연구진은 니켈-금속산화물 산소발생 촉매와 니켈루테늄-금속산화물 수소발생 촉매를 각기 수전해 장치 양극과 음극에 적용했다. 그 결과 기존의 이리듐·백금 촉매 사용 수전해 장치에 비해 수소 발생이 61% 향상됐다. 30시간 장기구동에서도 98% 이상 성능을 유지해다.
또 연구진은 다양한 분석 결과를 바탕으로 촉매 성능 향상 주요 원인이 금속나노입자-금속산화물의 다양한 시너지 효과임을 규명했다.
특히 연구에 사용된 금속산화물의 표면이 금속 표면에 비해 약 5배 정도 빠르게 물 분해 반응을 촉진시킬 수 있음을 확인했다.
김병현 박사는 “계산과학을 바탕으로 규명한 수전해 촉매 성능 향상 원인은 새로운 촉매를 디자인하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
