효율, 경제성까지 잡은 내구성 끝판왕 수소(수전해) 촉매 나왔다!

탄소 중립 시대를 열 차세대 기술로 수전해 기술이 꼽힌다. 전기에너지로 물을 수소와 산소로 분리해내는 기술이다. 탄소배출 없이 청정 원료인 수소를 생산할 수 있다. 상용화 관건은 값싸고 오래가는 촉매 물질 개발인데 UNIST 연구진이 이러한 촉매를 개발했다.

UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 박혜성 교수·동국대 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 공동연구팀은 비 귀금속 기반 이기능성(bifunctional) 수전해 촉매를 개발했다. 값비싼 귀금속 촉매 보다 효율은 우수하고 내구성은 월등히 뛰어나다. 촉매는 전극에서 발생하는 화학반응의 소모 에너지를 낮추는 물질이다.

그림1. 개발된 촉매를 이용한 물 전기분해 실험. 수소 발생 전극과 산소 발생 전극에 모두 같은 촉매를 사용했다.

개발된 촉매는 수전해 장비의 음극과 양극 모두에 코팅해서 쓸 수 있는 이기능성 촉매다. 일반적인 수전해 장비는 음극과 양극에 다른 촉매를 쓴다. 음극과 양극에서 각각 수소와 산소가 나오는 다른 반응이 일어나기 때문이다. 반면 이 촉매는 음극과 양극에 다 쓸 수 있어 수전해 장비 제작 공정을 단순화해 비용을 절감할 수 있다.

촉매 자체의 제조 공정도 간단하다. 작은 쇠구슬이 담긴 원통 용기에 원료를 넣고 돌리기만(볼밀공정) 하면 된다.

그림2. 개발된 촉매의 성능. 과전압을 낮추는 효율이 기존 백금, 이리듐 촉매보다 뛰어나며(b) 안정성(c)도 우수하다.

이 촉매는 1㎝2 크기 전극에 100 밀리암페어(㎃)의 전류를 흘리는 실험에서도 손상 없이 2,500시간 이상 안정적으로 작동했다. 일반적 수전해 촉매는 동일한 면적에 50 밀리암페어 이상의 전류를 흘리면 촉매가 전극에서 벗겨지기 시작하는(탈착) 내구성 문제가 있었다. 전류량(전류밀도)은 수소 기체 생산량과 비례하기 때문에 고 전류밀도에서 내구성이 유지돼야 상업화가 가능하다. 이뿐만 아니라 고온, 고전해질(산,염기) 농도와 같은 가혹한 작동 환경에서도 뛰어난 안정성을 보여줬다.

박혜성 교수는 “수전해 기술의 상업화를 위해서는 촉매 효율 자체도 좋아야 하지만,촉매를 값싼 공정으로 대량 생산할 수 있어야 하고, 촉매 수명도 길어야 한다”며 “이번 연구로 이런 조건을 동시에 만족하는 촉매를 개발했다”고 설명했다.

박 교수는 이어 “개발된 촉매는 수전해로 수소를 생산해 공급하는 현장(on-site)형 수소 충전소 보급을 앞당기는 데 이바지할 수 있을 것”이라고 기대했다.

그림3. 개발된 촉매의 다방향 전자이동 메커니즘

이번 성과는 다방향 전자이동을 활용한 덕분이다. 촉매를 구성하는 전이금속칼코겐화합물, 페로브카이트산화물, 알카리금속 간의 전자이동을 통해 이기능성 촉매의 성능을 개선하는 기술이다. 연구진은 이 같은 개념을 이번 연구에서 최초로 제안하고 이를 실험적으로 입증했다.

연구팀은 전이금속칼코겐화합물로는 몰리브덴다이셀레나이드(MoSe2)를, 페로브스카이트산화물로는 란탄스트론튬코발트산화물(La0.5Sr0.5CoO3-δ)을 썼다. 전이금속칼코켄화합물 표면에는 알칼리 금속인 칼륨(K)이 코팅돼 있다.

제1저자인 오남근 UNIST 신소재공학과 박사과정 연구원은 “알칼리금속, 페로브스카이트산화물, 전이금속칼코겐화합물은 다양한 원소 조합이 가능해 새로운 촉매 개발로 계속 이어질 수 있다”며 “연료전지 촉매, 적층세라믹콘덴서의 유전체 같은 분야에도 응용할 수 있다”고 설명했다.

한편, 다방향 전자이동은 전이금속칼코겐화합물이 칼륨과 페로브스카이트 산화물로부터 전자를 받아 시작된다. 전자를 받은 전이금속칼코겐화합물은 금속성이 강해져 수소 발생 성능이 향상되고, 전자를 잃은 페로브스카이트 산화물는 친전자성(전자를 잡아당기는 성질)이 강해져 산소 발생 성능이 좋아진다. 수산기(OH)가 전극 표면에 더 많이 흡착되기 때문이다. 수산기는 산소 발생 반응을 거쳐 산소로 바뀌게 된다.

이번 연구는 한국연구재단의 ‘기초연구실지원사업’, ‘중견연구자지원사업’의 지원으로 진행됐다. 연구 성과는 세계적인 권위 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 7월 29일자 온라인판에 게재됐다.