[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

화석연료의 유한성, 지구온난화와 같은 환경문제로 전세계적으로 수소 에너지가 각광받고 있다. 현재 수소는 대부분 석유나 석탄, 천연가스 같은 화석연료에서 분리하여 얻는데, 이러한 방법은 제조단가는 낮지만 수송비가 매우 높고 환경오염의 문제가 있다. 따라서 친환경으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술이 활발하게 연구되고 있다.

이렇게 전기분해 방법으로 수소를 생산하는 수소발생반응 (Hydrogen Evolution Reaction)1)에는 촉매의 역할이 가장 중요하다. 지금까지 수소발생반응의 대표적인 촉매로는 백금이 쓰이고 있지만 가격이 여전히 높고 안정성도 좋지 않아 이를 대체하기 위한 연구방법이 꾸준히 논문에 보고되고 있다.

수소발생반응은 촉매표면에서 물에 있는 수소원자가 흡착2)되어 생성반응이 일어나고 수소분자가 탈착2)되어 나가는 원리이다. 따라서 수소원자를 흡착하고 분자를 탈착 하는 정도에 따라 촉매의 성능이 결정된다. 예를 들어, 촉매의 흡착하는 힘이 너무 강하면 탈착하는 힘이 약해져 촉매의 성능이 저하된다. 반대로 탈착되는 힘이 너무 세면, 흡착이 일어날 자리를 수소분자가 차지함에 따라 흡착하는 힘이 약해 좋은 촉매가 될 수 없다. 이에 따라, 적당한 흡착/탈착 하는 힘을 가진 촉매를 만드는 것이 중요하다.

2. 연구내용 

수소발생반응은 물 안에 있는 수소 원자가 촉매표면에 흡착하여 수소 분자가 되어 탈착되는 과정이다. 이 때, 수소 원자가 촉매표면에 강하게 흡착하게 되면 수소 분자가 탈착하는 과정이 잘 안 일어나고, 반대로 흡착하는 힘이 약하면 수소분자가 탈착하는 과정이 없어 좋은 촉매가 될 수 없다.

이에 본 연구진은 이리듐를 전기음성도3)가 높은 탄소/질소와 결합하여 이리듐 자체의 빈 d-orbital(원자궤도)4)를 안정화시키는 이론적 방법을 고안했다. 이렇게 안정화된 d-orbital이 물에 있는 수소 원자를 이상적인 힘으로 흡착하고 반응시키는 동시에 수소 분자를 잘 탈착하는 역할도 한다. 이 내용은 범밀도함수5)를 적용한 계산을 통하여 밝혀냈다.

연구팀은 이론적 검증을 위해 탄소와 질소의 전구체(Tris base)6)와 이리듐(Ir)의 전구체인 삼염화이리듐(IrCl₃)를 폴리스타이렌(polystyrene) 구형 입자 표면에 입힌 후 폴리스타이렌을 제거하여 구형 모양의 기공(cavity)을 가지는 IrHNC 촉매7)를 합성하였다.

TEM(투과전자현미경)8) 분석 결과 합성된 촉매는 빈 구형의 표면에 이리듐, 탄소, 질소가 고루 분포하고 있는 구조였다. 특히 이리듐은 약 2 nm (나노미터, 1㎚는 10억 분의 1m) 의 크기를 가지는 결정 입자로 균일하게 분포함을 확인할 수 있다. 또한 열분석장비를 통하여 이리듐의 양을 확인해 본 결과 약 7% 수준이었다. 이는 적은양의 이리듐 양으로 고효율의 수소발생 촉매를 생산하였음을 의미한다.

또, 이러한 IrHNC 촉매는 귀금속인 백금과, 순수 이리듐나노입자 촉매에 비하여 수소발생 성능이 매우 좋음을 실험적으로 밝혀냈다. 실제로 전기화학 측정 실험 결과, 산(acid)환경에서 다른 촉매들보다 훨씬 낮은 과전압(overpotential)9)과 높은 반응성을 보였다.

3. 기대효과  

현재 전 세계에서 수소 에너지를 가장 유망한 대체 에너지원으로 여겨 많은 물 분해 촉매 개발에 힘쓰고 있다. 따라서 고효율 수소발생반응 촉매가 학계에 보고되는 중이다. 그러나 앞으로 촉매를 설계하는 구체적인 방향을 이론이나 실험적으로 제시하는 논문은 흔하지 않다.

이번 연구에서는 촉매 표면의 수소 원자의 흡착과 수소 분자의 탈착 반응에서 에너지 균형을 맞춰 가장 이상적인 촉매를 개발하고, 이를 계산을 통해 이론적으로 입증했다.

또한, 비싼 귀금속 기반의 수소발생반응 촉매를 대체할 이리듐 기반 촉매(IrHNC)가 궁극적으로 상업화까지 이어진다면 가장 이상적인 물 분해 촉매로서 에너지 문제를 해결하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 수소발생반응 (HER)

Hydrogen Evolution Reaction (HER). 수소원자가 전자를 만나 수소분자(기체)가 되는 반응

(산 환경에서 반응) 2H+(ag) + 2e- -> H2(g)

2. 흡착(adsorption)/탈착(deadsorption)

흡착: 물체의 계면에서 농도가 주위보다 증가하는 현상.

탈착: 흡착하고 있던 물질이 계면에서 떠나지는 현상.

3. 전기음성도(electronegativity)

원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력의 척도이다.

4. 오비탈 (Orbital, 원자 궤도)

물질은 원자로 이루어져있으며, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 그 전자가 있는 전자껍질을 원자 궤도 또는 원자 오비탈이라고 한다. 양자역학적 개념으로 전자의 분포 확률을 의미한다.

5. 밀도범함수 이론 (DFT, Density Functional Theory)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나

6. 전구체 (precursor)

어떤 물질대사나 반응에서 특정 물질이 되기 전 단계의 물질. 이번 연구에서 탄소(C)와 질소(N)의 전구체로 쓰인 Tris base의 경우 (HOCH₂)₃CNH₂의 갖는 염기성(base)물질이다.

7. IrHNC 촉매

이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C) 결합 기반하는 가운데가 빈 구조를 갖는 촉매를 말하는 용어. 본 연구팀의 IrHNC 촉매는 구형 형태의 기공을 가지며 나노미터(nm) 크기의 이리듐 입자가 분포되어있음.

8. 과전압 (overpotential)

전기분해에서 수소나 산소를 발생시킬 때, 이론적인 값보다 어느 전압만큼 높게 해야만 반응이 진행된다. 이때 더 요구되는 전압을 과전압이라 하며, 높은 전기 에너지는 열손실 및 촉매부식을 촉진하므로 물 분해시 과전압을 낮추는 기술이 요구된다.

9. 투과전자현미경 (TEM)

Tunneling Electron Microscopy. 전자현미경 중에서 전자선을 집속하여 시료에 조사한 뒤, 시료를 투과한 전자선을 전자렌즈로 확대하여 상을 얻는 기기를 말한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 수소발생반응의 반응 원리를 보여주는 모식도. 물에 있는 수소원자가 촉매 표면에 흡착하여 생성반응을 일으켜 수소분자가 되어 탈착되는 과정

그림 2. IrHNC의 투과전자현미경 (TEM) 이미지 가운데가 비어있고(a), 이리듐 결정이 0.22nm로 분포함(c)을 확인 할 수 있다.

그림 3. IrHNC의 전기화학 분석 데이터. 반응 속도를 결정하는 과전압(과전압이 낮을수록 물 전기분해에 필요한 추가 에너지가 낮다)의 경우 IrHNC가 가장 낮음을 확인할 수 있다. (b)