[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

‘산소 발생 반응’은 전기화학적으로 에너지를 변환하는 근본적인 반응이다. 이 반응에 기반해 전기로 물을 분해하거나, 배터리와 광전기화학전지를 구동한다. 이 중에서 전기로 물을 분해하는 반응은 신재생에너지인 수소와 산소를 얻는 방법으로 주목받고 있다. 전기로 물을 분해할 때는 산소 발생 반응과 수소 발생 반응이 동시에 일어나지만, 산소 발생 반응이 상대적으로 훨씬 느리다. 이런 느린 속도는 전체 물 분해 반응을 크게 방해한다. 전기로 물을 분해할 때 전압을 1.8~2.0V 정도로 높여야 하는 이유가 바로 여기에 있다.

최근에는 산소 발생 반응의 속도를 높이는 전기화학촉매(촉매)로 산화이리듐(IrO₂)이나 산화루테늄(RuO2) 같은 물질이 대두되고 있다. 하지만 이 물질들은 가격이 비싸고 안정성이 낮아 실용적이지 못하다. 이에 값싸고 안정적인 산소 발생 반응 촉매를 개발하는 게 필요하다.

2. 연구내용  

이번 연구에서는 철(Fe)과 코발트(Co)를 인산(P)과 함께 결합한 ’철/코발트 인산(FeCoPO₄)’이라는 물질을 산소 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 새로운 촉매로 개발, 제안했다. 연구팀은 이 물질을 촉매로 썼을 때, 산소 발생 반응에 필요한 이론적 과전위를 먼저 계산하고, 해당 물질을 실제로 합성해 성능을 입증했다. 이론과 실험의 융합을 통해 저렴하고 효율 높은 촉매를 개발한 것이다.

연구진은 먼저 제1원리 양자계산법을 이용해 철, 코발트가 인산과 결합하면서 만들어지는 다양한 조성의 물질들을 조사하고 이를 실험적으로 합성했다. 이 촉매에서는 ‘인산에 의한 유발 효과(inductive effect)’가 나타나 전체 반응에 필요한 과전압이 낮아지는 것으로 계산됐다. 철과 코발트의 환원 전위가 산소 발생 반응에 필요한 환원 전위와 비슷해졌고, 이런 환원 전위 변화를 통해 과전압이 낮아진 것이다. 이는 철과 코발트에 비해 전자를 당기는 힘(전자친화도)이 큰 인산이 결합하면서 철/코발트와 산소 사이의 결합 구조가 달라진 덕분이다.

이렇게 개발된 촉매는 ‘철-코발트 인산’ 나노입자가 ‘산화 그래핀’ 지지체 위에 존재하는 구조를 하고 있다. ‘산화 그래핀 지지체’는 이론적으로 물질의 전기 전도도를 개선하는 것으로 확인됐다. 철/코발트 인산 물질은 전기 전도도가 낮은데 이 부분을 보완한 것이다.

연구팀은 수산화칼륨이 1몰 섞인 물(1M-KOH)과 6몰 섞인 물(6M-KOH)을 전기로 분해할 때, 이 촉매와 상용 백금 촉매(Pt/C)를 함께 적용했다. 그 결과 작은 과전압(~0.23V / ~0.16V at 10mA∙cm-2)을 보였다.(백금 촉매는 수소 발생 반응의 촉매로 쓰였다.) 이론적으로는 합성된 물질에 더 많이 포함된 철에 의해 산소 발생 반응의 반응성이 높아진 것으로 계산됐다. 철과 코발트의 비율에 따라 산소 환원 전위가 달라지는 현상이 나타났는데, 철의 비율이 높을 때, 산소 발생 반응이 더 잘 일어났다.

또 이 촉매는 산화이리듐이나 산화루테늄 같은 촉매와 달리 안정성이 뛰어났다. 5000번 이상 반응 후에도 큰 구조적인 변화를 보이지 않았으며, 70시간 계속 반응을 지속해도 반응성이 떨어지지 않았다.

3. 기대효과

현재 산소 발생 반응에서 상업적으로 사용되는 촉매는 비싼 이리듐 기반의 물질(Ir/C)이다. 이번 연구로 개발된 철/코발트 인산 물질은 기존 촉매를 대신해 산소 발생 반응의 반응성을 높여 물 분해의 상용화를 도울 수 있을 것이다. 또 해당 반응이 활용되는 ‘연료전지’와 ‘금속-공기 전지’ 등의 분야에도 적용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 제1원리 양자계산법

양자역학 방정식을 통해서 물질을 구성하게 되는 원자간 결합 형태인 공유결합, 이온결합 등의 기본이 되는 전자구조를 직접 계산하는 방법. 원자가 모여 만들어진 고체 물질의 특성을 파악 할 수 있다.

2.유발 효과(inductive effect)

반응 시에 치환기가 공유결합 중 하나인 σ결합을 통해 물질 내 전자배치 구조에 영향을 미치는 효과. 이번 연구의 철과 코발트에 비해 전자친화도(전자를 당기는 힘이 더 좋음)가 높은 인산을 이용해, 철/코발트-산소간의 결합 구조를 바꾸었다.

[붙임] 그림설명

그림1. 이론적으로 예측된 철/코발트 인산(FeCoPO₄) 촉매 물질의 구조. 철(Fe)은 노란색, 코발트(Co)는 파란색, 인산(P)은 보라색, 산소(O)는 빨간색, 수소(H)는 하얀색으로 표시됐다. 첨가된 인산은 철과 코발트 주변의 전자 배치 분포와 화학결합 상태를 바꿔 금속 활성 사이트의 산소 환원 전위를 낮추어 준다.