광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 서준혁 화학과 교수팀이 한정우 포항공대 교수팀과 함께 '쇼트키 접합'을 이용해 바닷물을 원료로 그린 수소와 산소를 발생시키는 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.
연구팀은 기존의 수전해 시스템이 염분이 없는 물(담수)을 사용하는 것과 달리 지구상에서 가장 풍부한 바닷물을 활용해 탄소배출 없는 그린수소의 생산 가능성을 확인했다. 전기화학적 재구성 반응법을 이용해 금속과 반도체 물질의 이종접합을 형성했으며, 이종접합 시 형성된 쇼트키 접합은 고효율의 물 분해반응 촉매로 알려진 '니켈-텅스텐질화물'보다 2.8배 높은 전자 전달 효율을 보였다.
이번 연구를 통해 고효율의 환원전극과 산화전극을 이용해 해수분해 전지로 활용할 수 있음을 확인했다.
연구팀의 기술 개발 전략은 물 산화반응에 높은 효율을 보이는 물질로 알려진 '니켈-산화철수산화물'의 재구성 반응을 통해 '니켈-산화철수산화물'과 '니켈-텅스텐질화물' 물질 사이에 쇼트키 접합을 형성하는 것이다.
재구성 반응으로 '니켈-텅스텐질화물' 표면에 일정한 두께의 '니켈-산화철수산화물' 층을 형성할 수 있었다. 이때 높은 일함수를 가지는 '니켈-텅스텐질화물'과 낮은 일함수를 가지는 '니켈-산화철수산화물' 사이에 쇼트키 접합이 형성되고 전자를 매우 효율적으로 이동시키게 돼 전극표면의 산소 발생효율이 증가했다.
연구팀은 쇼트키 접합을 통한 효과적 전자 전달과정이 수전해 반응효율에 미치는 영향을 실험적으로 증명했다. 획기적으로 향상된 효율성과 촉매 내구성, 더불어 진행한 해수 분해 안정성 실험결과 개발된 이종접합 촉매는 0.1암페어(A) 기준에서 0.2볼트(V) 과전압만을 필요로 하며, 고가의 산화루테늄 촉매보다 더 좋은 효율의 산소발생 반응성을 보였다.
또한 '니켈-산화철수산화물'은 0.01A 기준에서 0.01V 과전압을 필요로 하며, 백금촉매를 능가하는 수소발생 반응성을 보였다.
연구팀은 10일 동안 진행한 실제 바닷물 분해 반응에서 0.2V 과전압만으로 0.1A의 높은 효율에 도달하는 실험결과를 얻었고 고효율, 고안정성 촉매의 상용화 가능성을 확인했다.
서준혁 교수는 “이번 연구 성과는 수전해 촉매기술개발 연구 분야에서 전극촉매의 이종접합 계면에 쇼트키 접합을 형성하는 새로운 기술을 도입해 촉매반응 효율을 혁신적으로 향상시켰다는 데 의의가 있다”면서 “향후 수전해 촉매를 활용해 그린수소를 생산하거나 산소를 공급하는 설비 제작으로의 상용화 가능성을 기대해 볼 수 있다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
