화석연료가 아닌 물에서 친환경적으로 수소를 얻으려는 연구가 활발한 가운데 수전해(water electrolysis) 과정에 쓰이는 촉매의 단가를 크게 낮출 수 있는 방법이 소개됐다.
한국연구재단은 인하대학교 환경공학과 전기준 교수 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 과정에 필수적인 고가의 백금촉매에 필적할 새로운 저가형 촉매를 제안했다고 3일 밝혔다.
차세대 에너지원의 하나로 그린수소에너지에 대한 관심이 높아지면서 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 기술에 대한 연구가 활발하다. 수전해를 돕는 촉매로 백금의 우수성은 잘 알려져 있었으나 고가의 백금 함량을 경제성을 지닐 정도로 충분히 낮출 수 있는지가 상용화의 관건이었다.
연구팀은 백금에 아닐린을 첨가한 백금-아닐린 복합체를 채택, 백금 함량을 기존 음극재(백금 10%) 대비 1/5000배 수준으로 낮췄다. 아닐린이란 벤젠고리를 가진 화합물로 전이금속(빽금 등)의 환원이나 응집현상을 제어할 수 있고 구성원소 가운데 질소에 의해 전기적 특성도 향상시킬 수 있다.
이를 토대로 황(S)을 도입한 양자점※ 형태의 이황화백금(PtS2) 촉매를 디자인, 전기적 효율과 안정성을 모두 개선할 수 있었다. 양자점(Quantum dot)이란 크기가 약 2-10 나노미터(nm)에 불과한 미세 반도체 입자로 전기적, 광학적 성질을 더 세밀하고 정교하게 구현가능하다.
한편 연구팀은 촉매를 기판에 붙이는 별도 공정 대신 기판 위에 직접 이황화백금을 성장시키는 방법을 고안했다. 수전해 반응 중 기판과 촉매를 연결하는 바인더의 접착효과가 떨어지면서 안정성이 저하되는 것을 막기 위해 바인더 자체가 필요 없도록 만든 것이다. 실제 이렇게 제작한 티타늄카바이드 기판은 기존 이산화티타늄 기판에 비해 전기저항이 약 12배 감소했다고 전했다.
또한 티타늄카바이드 기판에 이황화백금을 적용한 음극전극을 적용한 결과 기존 백금촉매 적용 음극과 거의 동일한 수준의 수소생산 효율을 보였다. 강산 용액의 극한 환경에서도 60시간 이상 수준을 유지할 정도로 우수한 안정성을 보였다는 설명이다.
연구팀은 향후 더 안정적이고 효과적인 수소생산을 위한 저가형 음극재 개발연구 및 실제 수소생산용 스택에 적용/연계를 추진할 예정이다.
과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 나노소재원천 기술 개발사업, 기초연구사업 및 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 및 환경 분야 국제학술지‘어플라이드 카탈리시스 B:엔바이런먼탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 4월 15일에 게재(온라인)되었다.
전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr
