^*도핑: 결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정

^*질화: 산화(oxidation)처럼 질소가 새로운 원소와 결합하여 화합물(이번연구의 경우 RuNx)을 생성하는 과정을 말한다. 결함 자리에 질소원자 위치하게 하는 도핑과는 다르다.

^*풀러렌(Fullerene): 탄소(C) 원자가 구(球), 타원체, 원기둥 모양으로 배치된 분자를 통칭하는 말. 1985년에 처음 발견됐으며, 흑연 조각에 레이저를 쏘았을 때 남은 그을음에서 발견된 완전히 새로운 물질이다.

[붙임] 연구결과 개요

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 반응으로 수소를 추출하는 방법이 있다. 일반적으로 수소 발생 반응의 전극 촉매로 쓰이는 Pt 기반의 촉매는 고가이며 매장량 등의 문제로 이를 대체할 우수한 활성을 가지면서 내구성이 뛰어난 전극 촉매 물질 개발에 다양한 연구가 이뤄지고 있다.

일반적인 루테늄 기반 촉매의 경우 염기성 매질에서는 우수한 성능을 보이나, 산성 매질에서는 그 성능이 떨어진다.

2. 연구내용

연구팀은 루테늄 단일원자(Ru)와 멜라민으로 유도된 질소가 도핑1)된 그래핀을 넣은 질화2)된 루테늄 나노 입자(RuNx) 합성을 통해 산성 및 염기성 매질에서 우수한 수소 발생 반응 활성을 나타내는 새로운 촉매를 개발 했다.

새로 개발된 촉매는 루테늄 단일원자와 질화된 루테늄이 혼합되어있는 구조이다. 질소가 도핑된 그래핀 시트상의 결함자리에 위치한 루테늄 단일원자와 질화된 루테늄 나노입자들이 섞여 있고, 이때 루테늄 나노입자들은 풀러렌3)에 의해 둘러싸인 구조이다.

이 촉매는 0.5M-H2SO4(산성) / 1M-KOH(염기성)에서 작은 음의 과전압4)(10 / 7 mV at 10mA∙cm-2)과 높은 교환 전류 밀도5)(4.70/1.96 mA∙cm-2)를 보였다. 우수한 수소 발생 반응의 성능은 루테늄의 수소 흡-탈착의 자유에너지가 거의 0에 가까운 것과 질화된 루테늄에 의해 향상된 전도도에 기인한다. 또한 N-도핑된 플러렌으로 불완전하게 덮여있어, 이의 보호 작용에 의해 산과 염기 환경에서 매우 뛰어난 내구성을 보여 주었다. 이 촉매는 산(0.1M-HClO4)에서는 1.50, 염기(1M-KOH)에서는 불과 1.40 V 전압으로 물이 수소와 산소 분자로 분리하는데 성공하였다. 이는 산업용으로 응용할 수 있는 수치이다.

3. 기대효과

이러한 연구로 개발된 루테늄 기반 촉매는 상업적으로 사용되는 비싼 Pt/C 기반의 촉매 대신해 산성 및 염기성 매질에서 대량의 물 분해를 통해 수소 연료 생산에 사용될 수 있을 것이다. 사용 환경의 PH에 영향을 덜 받게 됨에 따라 액체 추진 로켓, 자동차, 보트 및 항공기의 어플리케이션, 휴대형 또는 고정식 연료 전지 등 다양한 분야에 응용 할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 도핑

결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정

 2. 질화

산화(oxidation)처럼 질소가 새로운 원소와 결합하여 화합물(이번연구의 경우 RuNx)을 생성하는 과정을 말한다. 결함 자리에 질소원자가 위치하게 하는 도핑과는 다르다.

3. 풀러렌

탄소(C) 원자가 구(球), 타원체 모양으로 배치된 분자를 통칭하는 말. 1985년에 처음 발견됐으며, 흑연 조각에 레이저를 쏘았을 때 남은 그을음에서 발견된 완전히 새로운 물질이다.

4. 과전압

전기분해로 수소나 산소를 발생시킬 때, 이론적인 값보다 전압을 일정 수준 높여야만 반응이 진행된다. 이때 더 요구되는 전압을 과전압이라 한다. 물에서 수소와 산소로 가는 길에 높은 산이 있다고 예를 들어 설명할 수 있으며, 이 높이가 낮을수록 에너지가 적게 들어간다. 촉매는 산 높이를 낮춰서 에너지 비용을 줄이는 역할을 한다고 생각하면 된다.

5. 교환전류밀도

이는 어떠한 전기 포텐셜이 존재하지 않을 때 물질이 가지는 고유 촉매 활성도이다. 예를 들어, 전류가 없는 상태에서 전극의 단위 면적당 촉매가 물에 있는 양성자를 얼마나 빨리 수소로 환원시키는가에 대한 척도가 된다.

[붙임] 그림설명

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.

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.