UNIST 류정기·이준희 교수팀 개발
울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 류정기·이준희 교수팀이 망간 산화물에 희토류 원소인 네오디뮴(Nd)을 첨가해 강한 산성 환경에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동하는 산소 발생 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다.
수전해는 물에 전기를 가해 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 특히 고순도 그린수소 생산에 활용되는 양성자 교환막 수전해(PEM)에서는 산성 환경을 견디면서 산소 발생 반응을 촉진할 수 있는 촉매가 필요하다.
현재는 산성 환경에서 안정적인 이리듐이 주로 사용되지만 희귀하고 가격이 비싸 수전해 설비 확대에 걸림돌로 꼽힌다.
연구팀은 이리듐 대신 매장량이 풍부하고 가격이 상대적으로 저렴한 망간에 주목했다.
망간은 식물의 광합성에서도 물을 분해해 산소를 발생시키는 핵심 촉매 성분으로 알려져 있다. 다만 수전해의 강한 산성 환경에서는 망간이 쉽게 녹아 나오면서 촉매 성능과 내구성이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 망간 산화물에 네오디뮴을 넣어 이 문제를 해결했다.
개발된 촉매는 강한 산성 용액에서 전극 면적 1㎠당 200mA의 전류를 흘리는 조건에서 1000시간 이상 안정적으로 작동했다.
같은 조건에서 네오디뮴을 넣지 않은 망간 촉매는 약 300시간 이후 성능이 급격히 떨어졌다.
같은 전류를 흘리는 데 필요한 추가 전압도 낮아져 동일한 양의 산소를 생산하는 데 필요한 전기에너지를 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
실제 수전해 장치에 적용한 실험에서도 전극 면적 1㎠당 100mA의 전류 조건에서 600시간 이상 안정적인 작동을 확인했다.
연구팀은 네오디뮴이 망간 촉매 내부에서 반응을 촉진하는 역할과 구조를 안정화하는 역할을 동시에 하는 것으로 분석했다.
촉매 내부의 3가 망간을 포함한 산화망간(Mn₂O₃) 영역은 산소 발생 반응을 촉진하고 이산화망간(MnO₂) 영역은 산성 환경에서 촉매 구조를 지탱한다.
특히 망간은 산소 발생 반응에 유리한 3가 상태에서 쉽게 벗어나 2가 또는 4가 상태로 변하기 쉽다. 이 가운데 2가 망간은 전해액에 녹아 나오면서 촉매의 성능과 내구성을 떨어뜨린다.
네오디뮴은 주변 망간에 전자를 공급하고 결합 상태를 조절해 반응에 유리한 3가 망간이 안정적으로 유지되도록 돕는 것으로 확인됐다.
또 촉매 내부의 원자 간 결합을 강화해 산성 환경에서도 구조가 쉽게 무너지지 않도록 하는 효과도 나타났다. 연구팀은 이론 계산을 통해 네오디뮴의 전자 공급과 결합 강화 효과를 확인했다.
이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 김현구 연구원과 조진형 연구원이 제1저자로 참여했다.
연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난달 11일 게재됐다.
연구팀은 이번 기술이 고가의 이리듐 사용량을 줄이면서 수전해 시스템의 경제성과 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대하고 있다.
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