이종구조로 수소생산 효율 극대화
해수 환경에서도 활용 가능해
"기존 귀금속 촉매보다 경제성 매우 높다"
비(非)귀금속 기반 나노촉매를 개발한 공동연구진 (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지
[서울=뉴시스]윤신영 인턴 기자 = 고려대학교는 고려대 화학과 이광렬 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST)·카이스트(KAIST)와의 공동 연구로 그린수소경제를 앞당길 비(非)귀금속 기반의 나노촉매를 개발했다고 18일 밝혔다
수소는 친환경적이고 지속가능한 에너지원으로 주목받아 왔다. 그러나 수소를 생산하는 전기화학적 수소 발생 반응은 여러 한계를 갖고 있었다.
수소 발생에 사용하는 중성 pH 전해질은 이온 농도가 낮고 촉매 표면에 잘 흡착되지 않아 전기화학 반응 속도를 낮추고 수소 생산을 저해했다. 기존 촉매들은 이를 극복하기 위해 귀금속을 기반으로 제작됐다. 그러나 귀금속 기반 촉매는 내구성의 한계와 높은 비용으로 인해 상용화가 어려웠다.
고려대 연구팀은 '양이온 치환 반응'을 이용해 크롬 산화물(CrOx)과 코발트 황화물(Co9S8)을 결합한 비(非)귀금속 기반 이종구조 나노촉매를 개발했다. 이 촉매는 크롬 산화물이 클러스터 형태로 코발트 황화물에 결합해 크롬 산화물과 코발트 황화물이 맞닿는 계면을 극대화한 구조를 갖는다. 이 구조는 기존 촉매보다 훨씬 높은 수소 생산 효율을 보이는 것으로 나타났다.
비귀금속 나노촉매는 성능 평가 결과 표면에서 물 분자를 효과적으로 흡착하고 분해했다. 또한 반응 중간체의 이동을 촉진해 수소 생산 효율을 크게 높였다. 특히 중성 pH 환경에서도 상용 백금 촉매를 능가하는 전기화학 성능과 반응 속도를 보였다.
또한 연구진은 해당 촉매 작용을 바닷물과 같은 자연자원을 활용한 해수 전해 실험에서도 구현했다. 비귀금속 이종구조 나노촉매는 모사 바닷물과 실제 해수 환경에서 상용 백금 촉매와 유사한 수준의 우수한 활성을 보였다.
이번 연구를 주도한 이광렬 교수는 "중성 조건에서 효과적으로 작동하는 비귀금속 기반 촉매는 기존 귀금속 촉매에 비해 경제성이 매우 높다"며 "이번 연구 결과로 수소 생산 공정의 효율성을 높이고 그린 수소 기술 상용화에 가까워질 수 있을 것"이라고 전했다.
◎공감언론 뉴시스 [email protected]
수소는 친환경적이고 지속가능한 에너지원으로 주목받아 왔다. 그러나 수소를 생산하는 전기화학적 수소 발생 반응은 여러 한계를 갖고 있었다.
수소 발생에 사용하는 중성 pH 전해질은 이온 농도가 낮고 촉매 표면에 잘 흡착되지 않아 전기화학 반응 속도를 낮추고 수소 생산을 저해했다. 기존 촉매들은 이를 극복하기 위해 귀금속을 기반으로 제작됐다. 그러나 귀금속 기반 촉매는 내구성의 한계와 높은 비용으로 인해 상용화가 어려웠다.
고려대 연구팀은 '양이온 치환 반응'을 이용해 크롬 산화물(CrOx)과 코발트 황화물(Co9S8)을 결합한 비(非)귀금속 기반 이종구조 나노촉매를 개발했다. 이 촉매는 크롬 산화물이 클러스터 형태로 코발트 황화물에 결합해 크롬 산화물과 코발트 황화물이 맞닿는 계면을 극대화한 구조를 갖는다. 이 구조는 기존 촉매보다 훨씬 높은 수소 생산 효율을 보이는 것으로 나타났다.
비귀금속 나노촉매는 성능 평가 결과 표면에서 물 분자를 효과적으로 흡착하고 분해했다. 또한 반응 중간체의 이동을 촉진해 수소 생산 효율을 크게 높였다. 특히 중성 pH 환경에서도 상용 백금 촉매를 능가하는 전기화학 성능과 반응 속도를 보였다.
또한 연구진은 해당 촉매 작용을 바닷물과 같은 자연자원을 활용한 해수 전해 실험에서도 구현했다. 비귀금속 이종구조 나노촉매는 모사 바닷물과 실제 해수 환경에서 상용 백금 촉매와 유사한 수준의 우수한 활성을 보였다.
이번 연구를 주도한 이광렬 교수는 "중성 조건에서 효과적으로 작동하는 비귀금속 기반 촉매는 기존 귀금속 촉매에 비해 경제성이 매우 높다"며 "이번 연구 결과로 수소 생산 공정의 효율성을 높이고 그린 수소 기술 상용화에 가까워질 수 있을 것"이라고 전했다.
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