극소량 에너지로 수소 만드는 고효율 촉매 개발

수소는 화석연료를 대체할 미래 청정 에너지원으로 각광받는다. 하지만 수소 생산에 너무 많은 에너지가 들면 전체 효율이 떨어진다. 이를 극복하고 에너지 효율을 극대화하기 위해서, ‘적은 양의 에너지로 수소를 얻기 위한 연구’가 세계적으로 진행되고 있다. 최근에는 이론적인 극한값에 근접한 극소량 에너지로 수소를 생성하는 전기 촉매가 개발됐다.

UNIST(총장 정무영) 자연과학부 화학과의 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다. 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함자리에 ‘루테늄(Ru) 단일원자’와 ‘질화된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’들이 혼성된 새로운 촉매이다.

현재 백금 기반 촉매는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 가장 효율적인 촉매다. 하지만 백금은 고가이고 희귀한 물질이기 때문에, 이를 대체하면서 상업적으로 활용 가능한 물질이 꾸준히 개발되고 있다. 그러나 지금까지 보고된 촉매의 효율은 백금과 비슷한 수준인 데다, 산성이나 염기성 매질 중 한쪽에서 성능이 저하되거나 내구성이 낮아졌다.

그림1. 루테늄 기반 촉매 모식도 원형의 탄소구(Fullerene)에 갇힌 질화(nitridation)된 루테륨(RuNx)과 질소가 도핑된 그래핀에 위치한 루테륨 단원자로 이루어진 촉매 구조.

연구팀은 수소발생반응을 활성화시키는 능력이 탁월하면서도, 산성과 염기성 용액 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아낸 덕분이다. 또 구(球) 모양의 탄소 구조체인 풀러렌을 이용해 촉매를 감싸면서 안정성을 더했다.

그림2. 루테늄 기반 촉매의 활성화 자리 시뮬레이션 Ru 원자가 그래핀 시트 평면상에서 질소 (N) 원자 2개 및 탄소 원자 2개로 (Ru-N2C2) 배위되었을 때 수소생산반응이 잘 일어나도록 수소 원자의 흡착 자유에너지가 0에 가까웠다.

이론적 계산에 따르면, 루테늄(Ru) 원자 1개가 평면상에서 질소(N) 원자 2개와 탄소 원자 2개를 이웃으로 두는 배치를 가지면(Ru-N₂C₂) 촉매 활성도가 높아진다. 또 루테늄 단원자와 질화(Nitriding, 질소와 결합한)된 루테늄 나노입자가 섞여 있으면 전기전도성이 커져서 전기화학적 효율과 활성도 반응속도 등이 크게 개선된다.

새로 개발된 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7 ㎷의 과전압을 기록했다. 과전압이 낮을수록 수소 생성에 드는 에너지 소비가 적은 효율적인 촉매가 된다. 새로운 촉매는 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율이 100%에 가까웠다.