그린수소를 안정적이고 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 전기화학 촉매 합성 기술이 개발됐다. 수전해 소재로 주목받고 있는 다공성 금속유기구조체(MOF)를 이용해 향상된 성능의 원인을 원자 단위에서 규명했다는 점에서 주목된다.
한국연구재단은 박선아 포스텍(POSTECH) 교수, 신혜영 충남대 교수 연구팀이 MOF에 철을 원자 단위 비율로 개질해 물 산화 반응 성능을 크게 높이고, 실시간 라만 분광법을 통해 관련 메커니즘을 규명했다고 18일 밝혔다.
수전해는 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용해 물을 전기분해하고, 이 과정에서 그린수소를 추출하는 기술이다.
이 가운데 기술 성숙도가 가장 높은 알칼라인 수전해는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 한다. 수소 생산단가가 저렴한 장점이 있지만, 전기분해 시 물 산화 반응에서 높은 과전압이 필요해 고성능 촉매 개발이 요구된다.
연구팀은 MOF에 다양한 금속 원자를 촉매에 도입하는 방법으로 물 산화 활성에 접근했다. 금속과 유기물이 규칙적인 기공 구조가 반복되는 MOF의 결정 구조를 활용, 다른 금속 활성화 자리를 구획화된 구조에 도입한 것이다.
이를 통해 이성분계 MOF를 합성했으며, 니켈, 철 기반 기반의 MOF에서는 물 산화 반응에 필요한 과전압을 크게 줄여 기존 금속 산화물에 버금가는 성능을 확보했다.
연구팀은 해당 결과를 실시간 라만 분광법 및 밀도 범함수 이론을 통해 촉매 활성 원인을 이론적으로 증명했다.
박선아 교수는 “MOF를 합성해 안정적이고 효율적인 전기화학 촉매를 개발하고, 촉매의 향상된 성능을 화학적으로 규명해 다른 전기화학 촉매 설계에도 기여할 수 있다”며 “기존 산화물 기반 촉매에서 복잡하게 해석됐던 이성분 시스템에 대한 해석을 단순하고 명확하게 제시했다는 점에서도 도움이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구의 성과는 재료 과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 매터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 22일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
