최근 전 세계적으로 기후변화와 환경에 대한 관심이 증가하며 친환경에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 수소는 탄소를 배출하지 않고, 풍력·태양광과 달리 이동과 보관이 가능해 더 많은 주목을 받고 있다. 

청정수소를 얻기 위한 방법으로는 물을 전기분해하는 ‘수전해’ 방식이 주로 사용된다. 수전해 방식은 탄소배출이 없다는 장점이 있지만, 이 과정에 사용되는 촉매의 가격이 비싸 상용화에 어려움을 겪고 있다. 

이런 가운데 최근 이승현 한양대 교수(화학분자공학과) 연구팀이 저비용·고효율의 전기화학 촉매 개발에 성공했다고, 한양대가 지난 12일 밝혔다. 해당 기술은 수소에너지 상용화에 크게 기여할 것으로 평가받는다. 

수전해에 사용되는 촉매는 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등으로, 해당 금속들은 매장량이 적고 가격이 비싸 수전해 방식의 청정수소 생산을 저해하고 있다. 

이 교수팀은 이번 연구에서 바나듐(V)이 결합 된 코발트-질화물(V-Co4N) 결정성 코어 위에 코발트-니켈-인산(Co-Ni-P)으로 구성된 비정질성 쉘을 결합해 기존 촉매를 대체할 수 있는 3차원구조의 촉매를 개발했다.

이와 더불어 더 높은 정확성을 가지는 컴퓨터 시뮬레이션 기술인 ‘Density Functional Theory(DFT)’를 활용해, 합성된 구조체 내에서 일어나는 전자의 움직임을 잘 설명할 수 있는 방법론을 제시했다.

이번 연구로 개발된 촉매는 알칼리성 전해질에서 고비용 촉매인 상업용 백금·루테늄 촉매(1.55V)보다 훨씬 낮은 전극 전위(1.52V)를 요구해보다 우수한 수소생산 성능을 보여줬다.

이번 연구는 ‘비정질모양의 쉘과 결정모양의 코어’ 결합 형태의 3차원 구조의 촉매가 전기화학적 물분해를 통한 수소생산에 효과적인 전략이 될 수 있음을 밝혀냈다는 점에서 의의를 가진다.

이승현 교수는 “글로벌 이슈인 탄소중립 시대에서 수전해 기술 상용화에 큰 걸림돌이었던 값비싼 루테늄 및 백금 기반 전기화학 촉매를 대체할 수 있는 경제적이고 효율이 뛰어난 촉매 개발에 새로운 도약의 발판을 마련했다”고 말했다. 

한편 이번 연구결과는 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=17.521)’ 8월호에 게재 및 표지로 선정됐다.

강일구 기자 onenine@kyosu.net 

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