수소‧산소 동시 생산하는 고성능 촉매 '짜잔~'
수소‧산소 동시 생산하는 고성능 촉매 '짜잔~'
  • 함예솔
  • 승인 2018.10.16 12:50
  • 조회수 2691
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청정에너지 수소연료를 저렴하게 고순도로 생산할 수 있는 촉매가 개발됐습니다. 고려대학교 김동완 교수 연구팀은 귀금속이 아닌 재료를 사용해 수소와 산소를 모두 생산하는 양기능성 촉매를 개발했다고 합니다.

 

물을 전기분해해 수소를 얻는 수전해 방식. 출처: fotolia
물을 전기분해해 수소를 얻는 수전해 방식. 출처: fotolia

신재생에너지인 수소연료는 현재 사용되는 화석연료를 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있습니다. 다양한 수소 생산 방법 중 지구상에 풍부한 물을 전기분해해 수소를 얻는 수전해 방식은 친환경적이고 고순도 수소를 생산할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

하지만, 경제적이진 않습니다. 수전해를 통한 수소 생산을 위해서는 높은 과전압을 낮추기 위해 촉매가 필요한데, 가장 잘 알려진 촉매로는 주로 백금, 루테늄과 같은 귀금속이 촉매로 사용돼 원료의 희소성으로 인한 고비용 문제로, 실제 대용량 수소 생산에 적용되기 어렵습니다.

 

또한 수소가 발생하는 양극과 산소가 발생하는 음극에 각기 다른 촉매를 사용하기 때문에 경제적 측면에서 비효율적입니다. 따라서 수소연료가 상용화되기 위해서는 귀금속을 사용하지 않고 양쪽 전극에서 모두 기능하는 촉매 개발이 필요했습니다.

 

니켈(Ni)과 인(P)으로 치환된 삼차원 구조의 코발트-황(CoS2) 기반 촉매 제조 공정. 출처: 한국연구재단
니켈(Ni)과 인(P)으로 치환된 삼차원 구조의 코발트-황(CoS2) 기반 촉매 제조 공정. 출처: 한국연구재단

연구팀은 귀금속이 아닌 코발트-황(CoS2)을 기반으로 물 전기분해시 양극과 음극에 모두 사용할 수 있는 고성능 촉매를 개발했습니다. 양이온 및 음이온이 각각 니켈(Ni)와 인(P)으로 동시 치환된 삼차원 구조의 코발트-황(CoS2)기반 화합물을 개발해 이를 수소 및 산소 생산용 양기능성 수전해 촉매에 적용했습니다. 

 

제조된 촉매의 수소/산소발생반응 및 장수명 특성. 출처: 한국연구재단
제조된 촉매의 수소/산소발생반응 및 장수명 특성. 출처: 한국연구재단

특히, 코발트-황 화합물은 2차원 나노시트가 자가조립된 3차원 구조로, 촉매의 실질 반응 표면적을 비약적으로 넓힐 수 있었습니다. 또한 연구팀은 코발트-황 화합물을 니켈, 인의 이종 원자로 동시 치환해 촉매의 활성도 및 안정성이 향상됨을 확인했습니다. 제조된 촉매는 수소 및 산소 발생 반응 모두 높은 활성을 보였고, 50시간 이상 측정해도 특성이 변치 않는 우수한 안정성을 나타냈습니다.

 

이번 연구를 통해 개발된 촉매는 귀금속 촉매에 비해 원료 단가가 매우 낮아 공정상 대량으로 합성할 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 이번에 개발된 물질은 양기능성 촉매로 활용될 수 있어, 이를 활용하면 수전해를 통한 청정에너지 수소 원료 대량 생산 기술 사용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

김동완 교수는 "이 연구는 코발트, 황 등 저가의 원료를 사용해 손쉬운 공정을 통해 고활성 양기능성 물전기분해 촉매를 개발한 것"이라며 "향후 이를 적용한 대용량 수소원료 생산 산업화에 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔습니다. 이 연구는 에너지 분야 국제학술지 <어드밴스드 에너지 머터리얼스>에 게재됐습니다.


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