[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

현대 사회의 탄소중립 달성과 에너지 전환을 위해선 고효율의 친환경 에너지 기술 확보가 필수다. 그중 수소는 연소 없이도 에너지를 공급할 수 있어 ‘차세대 에너지 캐리어’로 주목받고 있다.

하지만 전통적인 물 전기분해 방식은 높은 전압과 귀금속 촉매 의존도, 그리고 생산된 수소의 저장 문제 등 여러 한계를 안고 있다. 특히 물 속 산소를 발생시키는 반응(OER)은 이론적으로 1.23V 이상의 전압이 필요해, 셀 전압을 낮추더라도 1V 이하로는 작동이 어렵다.

이런 문제를 해결하기 위한 대안으로, OER 대신 열역학적으로 더 유리한 포름산 산화 반응 등 유기 산화 반응을 활용하는 시도가 이어지고 있지만, 반응 중 생성되는 일산화탄소 중간체가 귀금속 표면을 막아 성능 향상에 한계가 있다.

또한 생성된 수소는 보통 고압이나 액화 상태로 저장해야 해, 관련 인프라와 안전성 확보가 추가로 요구된다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하고자 생체 내 ‘프로톤 결합 전자 이동(PCET)’에 관여하는 조절자 분자를 촉매 표면에 도입해, 전극 반응 경로를 제어하고 활성화 에너지를 낮추는 방식으로 저전압·고효율 수소 생산 및 저장 시스템을 제안했다.

2.연구내용

본 연구에서는 생체 대사에 쓰이는 조효소 FAD(플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드)를 전극 표면에 고정해 전기화학 반응 효율을 높이는 기술을 구현했다.

연구진은 FAD를 백금(Pt)과 팔라듐(Pd) 촉매 표면에 전착하고, 포름산 산화반응(FAOR)과 수소 발생반응(HER) 각각에 미치는 영향을 실험(XPS, EXAFS, EQCM)과 계산(DFT)을 통해 분석했다. 그 결과, Pt 전극에서는 FAD가 수소 중간체(*H)를 제거해 반응 경로를 정리했으며, FAD-*H 결합 에너지가 기존보다 약 0.96 eV 낮아짐 확인했다. Pd 전극에서는 FAD가 Pd 표면에 전자를 공급해 수소이온(H⁺) 흡착량을 3배 이상 늘렸고, 수소 생성 반응을 효과적으로 촉진했다.

이 시스템은 10 mA/cm²의 전류 밀도에서도 셀 전압은 기존(1.7V) 대비 1.1V 감소한 0.6 V 이하로 유지하며, 100시간 이상(기존 대비 약 8배 연장) 안정적으로 작동했다. 또한, Pd 금속막을 통해 생성된 수소를 액상 유기물(톨루엔) 속에 저장하는 액체유기수소운반체(LOHC) 시스템도 함께 구현해, 수소 생산과 저장을 하나의 시스템 안에서 동시에 가능케 했다.

3.기대효과

본 연구는 기존 OER 대체반응으로 FAOR을 음극 반응을 활용해 수전해 셀 전압을 낮춤으로써 전기 분해 에너지 소비를 대폭 절감하였다. FAD 분자는 *H 흡착·방출 에너지를 제어함으로써 Pt 음극의 FAOR 과전압을 최소화하고 Pd 양극의 수소 생산·저장 과전압을 크게 저감함으로써, 전체 수소 공정의 에너지 효율을 획기적으로 개선시켰다. 이를 통해 저전압·고효율 친환경 수소 생산·저장 기술 개발을 가속화하고, 차세대 그린 수소 에너지 시스템의 상용화에 기여할 것으로 기대된다. 또 생체모사형 촉매의 설계 원리를 확립하여 LOHC 수소화의 전기화학적 원천 기술 확보 개발에 도움이 될 것이다.

[붙임] 용어설명

1.액상 유기수소 운반체 (LOHC)

액체 상태의 유기 화합물을 수소 운반체로 사용하여, 수소를 화학 결합 형태로 저장한 후 상온·상압에서 운반하는 기술이다. 기체 상태 수소나 수소 자체를 액화해 운반 저장하는 것보다 안전하고 비용이 적게 든다.

2.플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드 (FAD)

세포 내 에너지 생산에 관여하는 대표적인 생체 조효소. FAD는 2H+ 및 2e-를 얻어서 FADH2로 환원되거나, 역으로 산화될 수 있다.

3.포름산 산화반응(FAOR)

포름산 산화반응은 포름산(HCOOH)이 산화되어 이산화탄소(CO2)와 수소 이온(H+) 및 전자를 생성하는 화학 반응이다. 수전해의 물 산화 반응(OER)보다 낮은 전압에서 구동이 가능하다.

4.양성자 결합 전자 전달 (Proton-coupled electron transfer)

한 원자로부터 다른 원자까지 전자와 양성자의 전달을 포함하는 화학반응이다.

[붙임]  용어설명

그림1. 생체 조효소 FAD를 활용한 저전압 수소 생산·저장 원리

(왼쪽) 백금(Pt) 전극에서 포름산(HCOOH)이 산화돼 이산화탄소(CO₂)와 수소이온(H⁺)이 생성되고, FAD가 수소 중간체(*H)를 제거해 전극 표면을 정리한다. 팔라듐(Pd) 전극에서는 FAD가 전자 분포를 조절해 수소이온의 흡착을 촉진하고 수소 발생 반응을 유도한다. (오른쪽) 전체 시스템 구조도. 생성된 수소가 액상 유기물(톨루엔)에 저장되는 과정을 보여줌.

그림2. 계산화학을 통한 FAD의 수소 흡착·탈착 반응 경로 규명

FAD를 전극에 입힌 경우(분홍 실선)는 기존 Pt 전극(분홍 점선)보다 수소 흡착 에너지가 낮아져 포름산 산화시 표면에 불필요하게 남아 있는 *H를 효과적으로 제거한다. (좌측 그림). 반면, Pd 전극에서는 FAD가 전자를 공급하여 H+ 흡착을 촉진함으로써 수소 생성·저장 반응을 가속화한다 (우측 그림).