철·루테늄 역할 나눈 촉매 개발…"수소 생산 전력 줄여"

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 철과 루테늄이 각자의 역할을 나눠 수행하는 촉매를 개발해 수소 생산에 필요한 전력과 비용을 줄일 가능성을 제시했다. 상용 백금 촉매보다 낮은 전압에서 수소를 생산하고 실제 수전해 장치에서 1100시간 이상 안정적으로 작동해 그린수소 생산 기술의 상용화에 기대를 모으고 있다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범·권영국 교수팀은 고려대 곽상규 교수팀과 함께 철 원자와 루테늄 입자가 수소 생산 반응을 분담하는 '이중 활성점 촉매'를 개발했다고 21일 밝혔다.

수전해는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 재생에너지를 전력원으로 활용하면 생산 과정에서 탄소 배출을 줄일 수 있지만 전력 소모가 크다는 점이 상용화의 과제로 꼽힌다.

연구진이 개발한 촉매는 전극 면적 1㎠당 10mA의 전류를 흘리는 조건에서 과전압이 13.8mV로 측정됐다. 상용 백금 촉매의 29.4mV보다 절반 이상 낮은 수준이다. 과전압은 전기화학 반응을 진행하기 위해 추가로 필요한 전압으로 수치가 낮을수록 전력 소모를 줄일 수 있다.

핵심은 철과 루테늄의 역할 분담이다. 철 원자는 물 분자에서 수소 원자를 떼어내고 루테늄 입자는 수소 원자들을 결합해 수소 기체를 만든다. 알칼리성 수전해에서 상대적으로 반응이 느린 초기 단계를 철이 맡도록 해 전체 반응 효율을 높였다. 이에 따라 촉매 무게의 2%만 루테늄을 사용하고도 귀금속 무게당 활성이 백금 촉매의 6배를 넘었다.

실제 장치에서도 성능을 확인했다. 음이온교환막 수전해 셀에 적용한 결과 산업용 수준인 1.0A/㎠의 전류밀도에서 1.66V의 전압으로 작동했다. 같은 조건에서 백금 촉매는 1.93V가 필요했다. 1100시간 이상 연속 운전한 뒤에도 성능이 거의 유지됐다.

제조 공정도 간단하다. 흑연 가루와 질소 기체를 쇠구슬과 함께 밀폐 용기에 넣고 고속으로 회전시킨 뒤 루테늄을 첨가하면 된다. 쇠구슬에서 나온 철이 탄소 표면에 원자 단위로 분산돼 별도의 철 원료나 용매 없이도 한 번에 10g 이상의 촉매를 균일하게 생산할 수 있다.

백종범 교수는 "흔한 철 원자와 극소량의 귀금속이 협력하도록 설계해 알칼리 수전해의 오래된 속도 한계를 넘어섰다"며 "대량 생산이 쉽고 실제 장치에서 장기 안정성까지 확인한 만큼 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 백재훈·권성현·차순관 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 및 '알칼라인 수전해 국가수소중점연구실'의 지원을 받아 수행됐으며 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 9월 10일 온라인 게재됐다.


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