[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 산성 수전해 환경에서 적은 양의 귀금속으로도 높은 효율과 안정성을 확보할 수 있는 새로운 촉매를 개발해 그린수소 생산기술 고도화에 속도가 붙게 됐다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 영남권센터 배종성 박사와 부산대 권세훈 교수팀이 캐나다 콩코디아대학교 등과 함께 부식과 성능저하가 발생할 수 있는 산성 환경에서도 높은 활성 및 안정성을 갖는 수전해용 고엔트로피 산화물 촉매를 개발했다고 15일 밝혔다.

그린수소는 태양광·풍력 등 재생에너지 전력으로 물을 분해해 만드는 친환경 수소다. 물을 분해할 때 함께 일어나는 산소 발생 반응에는 많은 에너지가 필요해 수전해 전체의 효율을 높이는 데 고성능 촉매가 중요하다.

특히 산성 환경에서 작동하는 수전해 방식은 높은 전류밀도와 빠른 응답성 등의 장점이 있으나 가혹한 산성조건을 견디기 위해 루테늄(Ru) 등 귀금속계 촉매가 필요해 비용 부담이 크다.
 
이번에 연구팀은 기존 문제 극복을 위해 루테늄(Ru), 망간(Mn), 크롬(Cr), 나이오븀(Nb)을 기본으로 하고 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu)를 각각 추가한 세 종류의 고엔트로피 산화물 촉매를 제작했다. 고엔트로피 산화물은 여러 금속 원소를 하나의 결정구조 안에 고르게 섞어 각 원소의 장점은 살리고 단점은 보완한 물질이다.
 
시험결과, 3종류 중 코발트를 넣은 촉매(HEO-Co)가 가장 뛰어난 성능을 보였다. 약 12㎚(나노미터) 크기 입자들이 연결된 다공성 3차원 구조가 물과 촉매가 만나는 면적을 넓히고 반응 중 생성된 산소가 쉽게 빠져나가도록 해 촉매 성능 높다고 연구진은 설명했다.

개발된 촉매는 상용 이산화루테늄 촉매보다 낮은 전압에서도 산소 발생 반응을 일으켰다. 루테늄 함량은 약 7at.%에 불과했지만 루테늄의 질량을 기준으로 계산한 촉매 활성은 상용 촉매보다 약 10배 높았다. 강한 산성 환경에서 24시간 연속 작동한 뒤에도 촉매의 구조와 입자 크기가 거의 유지돼 안정성도 확인했다.

공동연구에서 KBSI 배종성 박사팀은 엑스선광전자분광 장비를 활용한 화학적 결합 상태 분석을 통해 촉매 성능 향상 메커니즘 규명을 담당했고 부산대 권세훈 교수팀은 촉매 합성과 전기화학적 성능 평가를 수행했다. 캐나다 콩코디아대 연구팀은 이론계산을 통한 성능 향상 원리 분석을 수행했다.

이번 연구결과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난달 1일 게재됐다.

배종성 박사는 "여러 금속 원소의 상호작용을 활용해 귀금속 사용 부담을 낮추면서 수전해 촉매의 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 설계 방향을 제시했다"며 "장시간 운전과 대면적 전극 검증을 거쳐 그린수소 생산에 활용할 수 있는 고효율 촉매로 발전시킬 것"이라고 말했다


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