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미래 에너지원인 ‘수소’를 더 효율적으로 생산할 수 있게 됐다. 수소 생산 공정인 ‘물 전기분해’(수전해) 반응을 촉진하는 촉매가 개발됐기 때문이다. UNIST(총장 이용훈) 자연과학부 화학과의 김광수 교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀은 이론적 계산을 통해 물 전기 분해 효율을 높일 ‘금속 유기물 복합체’ 촉매를 개발했다. 염기성 전해질에서 사용 가능한 이 촉매는 ‘수전해 기술’에서 ‘병목 현상’으로 지목되는 ‘산소 발생 반응’을 촉진해 전체 반응 효율을 높인다. |
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*염기성전해질: 물에 전기를 흐르게 해, 수소와 산소기체로 분리하는 것을 물 전기분해(수전해)라 한다. 순수한 물은 전기가 잘 통하지 않으므로, 산성이나 염기성 전해질을 이용해 수전해 반응을 일으킨다.
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‘수전해’는 전기로 물(H2O)을 분해해 수소(H2)와 산소(O2)를 생산하는 방식이다. 여기선 수소, 산소 생산의 두 가지 반응이 각각 동시에 일어나는데, 문제는 전체 반응이 속도가 느린 '산소 발생 반응'에 맞춰 진행된다는 데 있다. 때문에 산소 발생 반응이 늦어질수록 수소 생산량과 직결된 수소 생산 속도도 더디게 된다. 김광수 교수팀은 니켈과 철을 포함하는 금속 유기 골격체(MOF)를 이용해 개발한 촉매로 새로운 해결방안을 제시했다. 금속 유기 골격체는 금속과 유기물이 마치 건축물의 ‘철근’과 같은 뼈대(framework) 모양을 이루는 물질이다. 미세한 크기의 구멍(채널)이 많아 표면적이 넓고, 촉매 반응이 일어나는 금속 원자가 표면에 노출 된다는 장점이 있다. 게다가 상용 촉매에 사용되는 이리듐(Ir)에 비해 니켈과 철은 매장량도 많고 가격도 저렴하다. |
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*금속 유기 골격체(MOF): 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드(금속과 전자를 공유하며 결합을 할 수 있는 물질)로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공(구멍)을 갖는 결정성 물질
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제 1저자인 탕가벨(Thangavel) UNIST 자연과학부 박사과정 연구원은 “금속 유기 골격체는 전기전도성이 낮고 불안정 하다는 단점이 있다” 며 “전도성이 높고 튼튼한 그래핀(Graphene)을 접목해 단점을 극복하고 높은 효율을 보이는 산소 발생 반응 촉매를 개발 할 수 있었다”고 설명했다. 공동 저자인 하미란 UNIST 자연과학부 박사과정 연구원은 이론 계산을 통해 촉매의 구조를 디자인했다. 시뮬레이션을 통해 금속 유기체 골격체의 최적화된 구조와 성분을 찾아냈다. 하 연구원은 “니켈 금속 유기 골격체에 철을 도핑하면 철 단 원자(single atom)지점에서 반응성이 개선돼 전체 반응성도 좋아진다”고 설명했다. |
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*그래핀: 탄소원자가 육각형 벌집 모양을 이루고 있는 물질 *도핑: 결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정 |
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이번에 개발 된 촉매는 기존 산화이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로(과전압) 많은 양의 수소(전류밀도)를 생산해 낼 수 있다. ‘알칼리 음이온 교환막 수전해 장치’를 만들어 실제 촉매의 성능을 평가한 결과 300 mV(밀리볼트) 전압에서 단위 면적(cm2)당 0.5 A(암페어)의 전류 밀도를 달성했다. 이는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이다. 또 1,000시간 이상을 작동했을 때도 우수한 내구성을 보였다. |
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*알칼리 음이온 교환막 물 전기 분해 장치: 염기성 용액을 전해질로 사용하는 수전해 장치
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김광수 교수는 “이번 연구를 통해 느린 ‘산소 발생 반응’ 속도 문제를 개선했을 뿐만 아니라, 기존 상용 촉매의 가격과 안정성 문제도 동시 해결할 수 있었다”며 “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용 될 수 있을 것”이라고 기대했다. 이 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 'Energy and Environmental Science'에 5월 27일자로 온라인 출판됐다. 연구수행은 한국연구재단과 한국과학기술정보연구원의 지원으로 이뤄졌다. (끝) 논문명: Graphene-Nanoplatelets Supported NiFe-MOF: High-Efficient and Ultra-Stable Oxygen Electrodes for Sustained Alkaline Anion Exchang membrane Water Electrolysis |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1. 연구배경 탄화수소에 기반한 석탄이나 석유 같은 에너지 자원은 근본적으로 매장량의 한계를 가진다. 또 부산물로 이산화탄소를 만들어내 지구온난화와 같은 환경적 문제를 야기하고 있다. 이에 따라 국제적, 국가적으로 탄화수소 자원을 규제하고 차세대 에너지원에 대한 투자 및 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 재생 가능한 친환경에 에너지원으로 수소가 각광 받고 있으며 이 수소를 만들기 위한 방법 중 전기 화학적인 ‘수소 발생 반응’(수전해)으로 수소를 추출하는 방법이 있다. 일반적으로 수전해 전극 촉매는 양극에서 느린 반응(산소 발생 반응) 동역학으로 인한 병목현상, 희귀 금속의 사용으로 인한 고비용 및 희귀 금속의 낮은 내구성 등의 문제가 있다. 따라서 새로운 전극 촉매 물질 개발을 위한 다양한 연구가 필요하다.
2. 연구내용 본 연구팀은 다양한 소재를 사용해 이론적 계산을 선행했다. 활성 자리(Active Site)1), 채널 구조(금속 유기 골격체 내부의 구조) 등 이론적 배경을 바탕으로 풍부한 자원인 니켈(Ni)과 철(Fe)로 이뤄진 금속 유기 골격체(MOF)2)에 그래핀 나노판(탄소섬유전극)을 기판으로 더한 신소재를 합성하였다. 이 탄소 섬유 전극의 MOF는 51 mVdec-1의 Tafel 기울기3) 및 높은 회전율4)(Turnover frequency: 1.22 s-2)과 높은 패러데이 효율5)(Faradic efficiency: 99.1 %)을 보였다. 전류밀도6) j=10 mAcm-2에 도달하기 위한 과전압7)은 220mV 였다. 전이금속 기판(니켈 폼 기판)을 사용했을 때 과전압(180mV)과 큰 차이를 보이지 않으면서도 전극의 내구성은 높였다. 개발된 촉매는 물 전기분해를 원활하게 하고, 1000 시간 이상의 안정성을 보였다. 특히 70℃, 1.85 V에서 0.54 Acm-2의 전류밀도를 가지는데 이는 현재 상업용으로 사용되는 백금(Pt/C)와 이리듐(IrO2)보다 탁월한 성능이다.
3. 기대효과 이 연구로 산소 전극에 적용 가능한 기능 소재(촉매)를 이론적으로 계산 및 설계해 개발했다. 이는 이론계산을 통해 효율적인 소재 개발이 가능함을 입증한 것이다. 또 촉매를 전극에 적용할 경우 기존 전극보다 뛰어난 성능과 내구성을 갖춰, 이를 청정에너지인 수소 생산 관련 다양한 분야에 적용 할 수 있을 것으로 기대한다. |
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[붙임] 용어설명 |
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1. 활성자리(Active site) 촉매는 반응물이 생성물이 되기 위해 필요한 에너지장벽을 낮추는 역할을 하는데, 이때 반응물이 촉매의 특정 영역에 붙어서 반응이 일어난다. 이를 활성 자리라 한다. 2. 금속 유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF) 금속 유기 구조체는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드(약한 결합을 할 수 있는 물질)로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공(구멍)을 갖는 결정성 물질 3. 타펠 기울기(Tafel slope) 촉매 반응이 얼마나 빠르게 과전압으로 도달하는지를 보여주는 척도. 과전압은 물의 전기분해가 일어나기 위해서 필요한 최소한의 에너지이다. 기울기가 완만할수록 반응이 잘 일어남을 보여준다. 4. 회전율(Turnover frequency) 단위 시간, 단위 활성자리당 반응하는 분자 수를 말한다. 5. 패러데이효율 (Faradaic efficiency) 반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 말한다. 6. 전류밀도(Current density) 단위면적을 통과하는 전하의 양. 물 전기분해에서 동일한 전압을 가했을 때 전류밀도가 높을수록 생산되는 기체의 양이 많다. 7. 과전압(Overpotential) 수전해 과정에서 이론적으로 주어지는 분해전압과 실제로 분해반응이 일어나기 위해 전극 간에 필요한 전압의 차이로 과전압이 작을수록 이론값에 가까이 간 것이다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. 촉매 실증 실험에서 사용한 ‘알칼리 음이온 교환막 물 전기분해조’의 모형. 막-전극 접합체 (MEA) 중앙부에 그래핀과 금속 골격 유기체(MOF)가 삽입돼 있다. |
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![[연구그림] 촉매 실증 실험에서 사용한 ‘알칼리 음이온 교환막 물 전기분해조’의 모형](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2020/06/연구그림-촉매-실증-실험에서-사용한-‘알칼리-음이온-교환막-물-전기분해조’의-모형.jpg)