[그린포스트코리아 김동수 기자] 물을 전기분해해 수소를 얻을 때 사용되는 촉매가 새롭게 개발됐다. 기존 백금 촉매보다 성능이 우수하고 저렴해 향후 친환경 미래자원으로 수소의 입지가 더욱 확고해질 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 루테늄(Ru)과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 결합한 ‘물 분해용 수소 촉매, Ru@MWCNT’를 개발했다고 18일 밝혔다.

연구진은 이 촉매가 실제로 작동할 시스템을 간략하게 만들어 성능 평가도 진행했다. 그 결과 상용화된 백금 촉매(Pt/C)보다 여러 면에서 우수한 점을 밝혀냈다. 해당 촉매는 합성법이 간단해 대량생산에도 적합하며 실용화에도 강점이 있다.

백종범 교수는 “기존 촉매의 특성을 뛰어넘는 우수한 촉매를 개발했을 뿐 아니라 사업화에 필요한 실제 전극의 평가 방법을 제시한 연구”라며 “다른 촉매도 상용화 관점에서 진단해볼 수 있을 것”이라고 밝혔다.

수소는 우주 질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소로 친환경 미래자원으로 주목받고 있다. 하지만 현재 수소 생산은 대부분 천연가스 등 화석 연료를 원료로 삼고 있어 생산과정에서 오염물질이 배출된다. 이 대안으로 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 얻는 방법이 제시되나 백금처럼 값비싼 촉매가 필요한 실정이다.

이에 백 교수팀은 백금 촉매를 대체할 촉매를 꾸준히 개발해왔다. 이번에 개발한 촉매는 기존에 발표한 금속 유기체 촉매보다 우수한 전기화학적 특성을 보였다. 

이 촉매는 단일한 벽을 가진 탄소나노튜브(CNT)가 서로 중첩된 형태(MWCNT)로 작은 루테늄 입자가 고르게 분포된 구조다. 우수한 성능은 루테늄 입자가 작고 고르게 분포한 덕분인데 이를 위해 제조공정도 개발했다.

백 교수팀은 새로운 촉매의 성능 평가를 위해 기존 과전압 측정 외에 ‘물 분해 시스템’의 전극으로 만들어 평가하는 방법도 진행했다. 이 촉매를 전극으로 사용했을 때 수소 발생량을 실제로 측정해본 것이다.

그 결과, 같은 조건에서 상용화된 백금 촉매보다 15.6% 많은 수소를 생산했다. 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율도 92.2%로 백금 촉매(85.9%)보다 높았다. 

패러데이 효율이란 반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 말한다.

백종범 교수는 “수소 촉매 연구는 주로 촉매 자체의 평가에 집중돼 있어 실제 물 분해 시스템에서 평가하기 위한 연구는 미흡했다”며 “이번 연구는 촉매 자체의 우수성뿐 아니라 실제 적용했을 때 성능까지 짐작해볼 수 있다는 점에서 의미가 있다”고 전했다. 

이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 9일 자로 공개됐다. 교신저자로는 백종범 교수와 금속유기물 촉매를 함께 연구해 온 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) UNIST 연구교수가 참여했다.

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