[그린포스트코리아 이주선 기자] 수소가 화석연료를 대체할 친환경 에너지로서 관심이 커지고 있는 상황에서 울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 값싼 철과 코발트, 인산을 이용, 전기를 적게 사용해 물에서 수소를 분해하는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

이번에 개발된 촉매는 현재 산소 발생 반응에 상업적으로 쓰이는 산화 이리듐(IrO₂) 등 비싼 귀금속 촉매보다 저렴하면서, 기존 대비 약 25% 효율 크게 끌어올렸다는 것이 연구팀의 설명이다.

연구팀에 따르면 철, 코발트, 인산 촉매에서 산소 발생 반응은 철과 코발트 원자 위에서 일어난다. 이 원자 주위의 전자 분포와 화학결합이 산소 발생 반응의 효율을 결정하는데, 새로 개발한 촉매의 경우에는 첨가된 인산이 이 부분을 최적화하는 것으로 확인됐다.

우선 연구팀은 먼저 제1원리 양자계산법(양자역학 방정식을 통해서 물질을 구성하게 되는 원자간 결합 형태인 공유결합, 이온결합 등의 기본이 되는 전자구조를 직접 계산하는 방법)을 이용해 철, 코발트가 인산과 결합하면서 만들어지는 다양한 조성의 물질들을 조사하고 이를 합성했다. 

이후 ‘인산에 의한 유발 효과(Inductive Effect, 반응 시에 치환기가 공유결합 중 하나인 시그마(σ)결합을 통해 물질 내 전자배치 구조에 영향을 미치는 효과)’가 나타나 전체 반응에 필요한 과전압이 낮아지는 것이 계산되면서 철과 코발트의 환원 전위가 산소 발생 반응에 필요한 환원 전위와 비슷해졌고, 환원 전위 변화를 통해 과전압이 낮아졌다는 사실도 확인됐다. 이는 철과 코발트보다 전자를 당기는 힘(전자친화도)이 큰 인산이 결합하면서 철, 코발트와 산소 사이의 결합 구조가 달라진 덕분이라고 연구팀은 설명했다.

이어 연구팀은 “5000번 이상 반응한 후에도 구조적으로 크게 변하지 않았고, 70시간 동안 반응을 지속해도 반응성이 떨어지지 않았다”면서 “촉매를 구성하는 산화 그래핀 지지체가 철, 코발트와 인산의 낮은 전기 전도도를 보완해 한 층 더 우수한 반응성을 보였다”고 강조했다.

김광수 UNIST 교수는 “값비싼 상용 촉매보다 산소 발생 반응성이 훨씬 개선된 데다 수백 배 저렴한 촉매가 가능하다”면서 “앞으로 연료전지 등 여러 친환경 에너지 물질의 촉매 개발에 유용할 것”이라고 말했다.

기초과학·에너지 분야의 권위 있는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 게재됐다.
 

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