[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 에너지·환경재료연구본부 수소전지재료연구센터 박다희 박사 연구팀이 기존 몰리브덴 산화물(MoOx)의 일부를 철(Fe)로 바꿔 끼우는 치환 기술을 활용해 알칼라인 수전해의 핵심 반응인 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 성능을 향상하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

이번 연구는 저렴한 금속으로도 귀금속 못지않은 성능과 안정성을 확보할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

수소는 탄소 배출이 없는 청정 에너지원이다. 물을 전기 분해해 수소를 만드는 수전해는 차세대 친환경 에너지 기술로 꼽히지만 수전해 과정에서 발생하는 산소 발생 반응(OER) 속도가 느리고 높은 에너지가 필요해 전체 효율을 낮추는 원인이 된다.

특히 고성능 촉매로 사용되는 귀금속 촉매는 가격이 높고 자원이 제한적이어서 그동안 이를 대체할 비귀금속 촉매 개발의 필요성이 꾸준히 제기됐다.

연구팀은 이 같은 문제 해결을 위해 몰리브덴 산화물(MoOx) 구조 속에 철(Fe)을 집어넣어 원자들의 배열 상태와 산소가 빠져나간 빈자리를 동시에 제어하는 새로운 촉매 설계 방법을 도입했다.

에어로졸 분무 열분해법을 활용해 단일 공정으로 철 치환 몰리브덴 산화물 촉매를 만들어냈으며 이 과정에서 형성된 철-산소-몰리브덴(Fe–O–Mo) 이종 결합 구조는 촉매 구조를 튼튼하고 안정되게 만들어 장시간 사용해도 성능이 떨어지지 않도록 돕는 사실을 확인했다.

연구팀은 또 열처리 조건을 조절해 촉매 내부의 미세한 격자 왜곡과 산소 빈자리를 정밀하게 제어했으며 그 결과 코어–쉘(core–shell) 및 요크–쉘(yolk–shell) 구조처럼 내부에 빈 공간이 있는 특이한 입자 구조를 형성했다.

특히 촉매 내부의 격자 산소가 반응에 직접 참여하는 격자 산소 반응 메커니즘이 활성화되면서 산소 발생 반응이 더욱 효율적으로 진행되는 것으로 확인했다.

그 결과 100mA/㎠의 높은 전류 밀도에서도 약 294mV의 낮은 과전압으로 100시간 이상의 장시간 안정적인 사용이 가능한 고성능 촉매 구현에 성공했다.

개발한 기술은 탄소중립 시대의 친환경 수소 생산에 필요한 상용 수전해 촉매로 자리 잡을 수 있고 특히 알칼라인 수전해 시스템에 적용될 경우 대규모 수소 생산 공정의 효율을 높이는 핵심 소재로 활용될 것으로 기대된다.

값비싼 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 기술로 수소 생산 비용 절감과 청정에너지 기반 확대에도 기여할 것으로 전망된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단 글로벌영커넥트 사업과 산업통상부의 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 촉매 및 에너지 분야 국제 학술지 '켐서스켐(ChemSusChem, IF: 6.6)' 온라인판에  지난 2월12일 게재됐다. 올해 3월호 표지논문으로 선정됐다. 

연구책임자인 KIMS 박다희 선임연구원은 "이번 연구는 저렴한 금속의 원자 구조와 결함을 동시에 조절해 촉매 성능을 극대화한 사례"라며 "이번 촉매 설계 전략을 다양한 전기화학 에너지 변환 반응에 적용해 차세대 친환경 에너지 기술로 확장해 나가겠다"고 말했다.


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