수소 촉매의 실제 성능 평가한다… 실용화에 성큼!

깨끗한 에너지 ‘수소’를 값싸게 얻을 촉매 개발이 전 세계적으로 활발하다. 이미 보고된 우수한 촉매도 많은데, 이들은 실제 작동할 때 성능까지 알려지지 않아 실용화를 위해서는 추가 연구가 필요하다. 그런데 최근 고효율 촉매를 만들고 실제 성능까지 평가한 연구가 나와 눈길을 끈다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 ‘루테늄(Ru)’과 ‘다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, 이하 MWCNT)’를 결합한 ‘물 분해용 수소 촉매, Ru@MWCNT’를 개발했다. 연구진은 이 촉매가 실제로 작동할 시스템을 간략하게 만들어 성능 평가도 진행했다. 그 결과 상용화된 백금 촉매(Pt/C)보다 여러 면에서 우수한 것으로 드러났다. 새 촉매는 합성법이 간단해 대량생산에도 적합해 실용화에 성큼 다가섰다는 평가를 받는다.

백종범 교수는 “기존 촉매의 특성을 뛰어넘는 우수한 촉매를 개발했을 뿐만 아니라, 상업화에 필요한 실제 전극의 평가 방법을 제시한 연구”라며 “다른 촉매도 상용화 관점에서 진단해볼 수 있을 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

수소는 우주 질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소로 친환경 미래자원으로 주목받는다. 하지만 현재 수소 생산은 대부분 천연가스 등의 화석 연료를 원료로 삼아 생산과정에서 오염물질이 배출된다. 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 얻는 방법이 대안으로 제시되나, 이 경우 백금처럼 값비싼 촉매가 필요하다.

[그림1] 다른 촉매와 개발된 촉매의 수소 발생 반응 성능 비교(과전압 기준)

이에 백종범 교수팀은 백금 촉매를 대체할 성능이 우수하고 저렴한 수소 촉매를 꾸준히 개발해왔다. 이번에 개발한 촉매는 기존에 발표한 금속 유기체 촉매보다 우수한 전기화학적 특성을 보였다. 과전압의 경우 기존에 발표된 촉매 중 가장 낮았으며(그림1 참고), 물의 산성/염기도에도 크게 영향을 받지 않았다.

[그림2] Ru@MWCNT 합성 모식도

새 촉매는 단일한 벽을 가진 탄소나노튜브(CNT)가 서로 중첩된 형태(MWCNT)에 작은 루테늄 입자가 고르게 분포된 구조다. 우수한 성능은 ‘루테늄 입자가 작고 고르게 분포’한 덕분인데, 이를 위해 제조공정도 개발했다.

제1저자인 권도형 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “루테늄과 탄소나노튜브를 결합하는 기존 방법에서는 열처리 중에 루테늄이 응집하면서 그 크기가 커지는 경향이 있었다”며 “이런 응집 현상을 ‘루테늄 염(Ru salt)’과 ‘초산기(-COOH)’를 도입해 억제함으로써 루테늄 입자를 작고 고르게 분포시킬 수 있었다”고 설명했다.

[그림3] 실제 물 분해 시스템에서의 수소 발생 반응 성능 평가

백 교수팀은 새로운 촉매의 성능 평가를 위해 기존 과전압 측정 외에 ‘물 분해 시스템’의 전극으로 만들어 평가하는 방법도 진행했다. 이 촉매를 전극으로 사용했을 때 수소 발생량을 실제로 측정해본 것이다. 그 결과, 같은 조건에서 상용화된 백금 촉매(Pt/C)보다 15.6% 많은 수소를 생산했다. 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율도 92.2%로 백금 촉매(85.9%)보다 높았다.

백종범 교수는 “수소 촉매 연구는 주로 촉매 자체의 평가에 집중돼 있어 실제 물 분해 시스템에서 평가하기 위한 연구는 미흡했다”며 “이번 연구는 촉매 자체의 우수성뿐 아니라 실제 적용했을 때 성능까지 짐작해볼 수 있다는 점에서 뜻깊다”고 전했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 9일자로 공개됐다. 교신저자로는 백종범 교수와 금속유기물 촉매를 함께 연구해 온 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) UNIST 연구교수가 참여했다. 연구 진행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부와 한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 그리고 창의소재발견프로그램의 지원으로 이뤄졌다.