[성남=뉴시스] 신정훈 기자 = 담수 대신 바닷물을 직접 이용해 수소를 생산하면서 해수 속 염화이온으로 인한 촉매 부식 문제를 줄일 수 있는 전기촉매 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

가천대학교는 화공생명배터리공학부 김대건·안용남 교수 연구팀이 아주대 박성준 교수, 광운대 이기원 교수와 공동으로 철 인화물-탄소나노튜브(FeP@CNT) 기반 이중기능성 전기촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구 결과는 환경·화학공학 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'(Chemical Engineering Journal·영향력지수 12.5)에 게재됐다.

수전해를 이용한 그린수소 생산은 재생에너지로 물을 분해해 수소를 얻는 방식으로, 대규모 생산 과정에서 담수 사용에 따른 물 자원 부담을 줄이기 위한 대안으로 해수를 직접 활용하는 기술이 연구되고 있다.

그러나 실제 바닷물에는 다양한 이온이 포함돼 있고, 특히 염화이온이 전극 표면에 흡착해 촉매를 부식시키거나 산소 발생을 방해하는 부반응을 일으킬 수 있다는 문제가 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 금속유기골격체(MOF)를 출발물질로 사용해 철 인화물 나노입자와 탄소나노튜브가 결합한 FeP@CNT 이종구조 촉매를 설계했다.

인화와 열분해를 동시에 진행하는 'PhosPy' 공정을 적용해 철 기반 촉매 성분을 형성하면서 탄소나노튜브가 자체적으로 성장하도록 했다. 이를 통해 활성 촉매 입자가 전도성이 높은 탄소 네트워크 내부에 안정적으로 고정되는 구조를 구현했다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 철 인화물 가운데 Fe3P의 특정 결정면이 수소 흡착뿐 아니라 수전해의 첫 단계인 물 분자 흡착에도 뛰어난 특성을 보인다는 점을 확인했다.

철 인화물은 물 분해 반응을 촉진하는 활성점 역할을 하고, 이를 둘러싼 탄소 네트워크는 전자의 이동 통로 역할과 함께 해수 속 염화이온의 접근을 선택적으로 제한하는 역할을 한다.

연구팀은 개발한 촉매를 양극과 음극에 모두 적용해 1천시간 이상 해수 전기분해를 진행했으며, 실제 수소 생산을 고려한 고전류 조건에서도 성능 저하가 거의 나타나지 않았다고 설명했다.

장시간 운전 이후에도 촉매 구조와 활성 부위가 안정적으로 유지됐으며, 낮은 과전압 특성을 보여 태양전지나 소형전지와 같은 저전압 전력원으로도 구동할 수 있었다.

태양광과 소형 전원을 이용한 야외 구동 실험에서도 지속적인 가스 발생을 확인해 재생에너지와 연계한 해수 수소 생산 시스템으로 확장할 가능성도 제시했다.


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