IBS, 고성능 요소 전기분해 촉매 개발...그린 수소 경제 기여한다

변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도
변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도

기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 이효영 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 부연구단장팀이 단일금속원자를 다량 탑재해 요소 산화 반응을 앞당길 고성능 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다. 물 분해 방식보다 저전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린 수소 생산에 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다. 요소가 풍부한 폐수를 이용해 수소를 생산, 수질 오염 완화도 기대된다.

요소 산화 반응 속도를 높이는 촉매로 귀금속 기반 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 금속 촉매가 쓰이지만, 매우 고가이며 장기간 작동 시 촉매 성능 및 안정성이 좋지 않다. 탁월한 활성반응을 나타내는 단일 원자 촉매가 주목받지만, 쉽게 이동해 응집되는 경향 있어 단일 원자를 많이 탑재할 수 없는 문제가 있다.

연구진은 새로운 표면 변형 전략 방법을 개발, 단일 금속 원자 초고중량 탑재 및 안정화를 이뤘다. 액체 질소 담금질 방법을 사용해 산화 코발트(Co₃O₄)표면에 변형을 생성했다. 액체 질소 탓에 급하게 냉각된 산화물 지지체 표면은 열팽창으로 인해 변형이 생긴다. 이런 표면에 로듐 단일 원자를 기존 중량대비 2배 더 많이 올려 안정화할 수 있다. 변형된 표면은 로듐 이동 에너지 장벽을 크게 증가시켜 이동과 응집을 억제하는 효과도 지니는 것을 발견했다.

연구진은 로듐뿐만 아니라 백금, 이리듐 및 루테늄 기반 단일 원자들도 변형된 표면에서 고중량 탑재가 가능한 것을 발견했다. 촉매 효율 평가 결과 기존 상용화 전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생되고 구조 변화 없이 100시간 동안 장기간 안정성도 보였다. 고전압으로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방법에 비해 약 16% 에너지를 절약할 수 있다.

이효영 부연구단장은 “고효율 요소 산화 전기 촉매를 통해 단일 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 고중량 탑재 및 안정화를 해결했다”며 “고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방식으로 생산이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 환경에너지 분야 세계적인 권위지인 '에너지&환경 과학'에 9월 30일 온라인 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com