울산과학기술원(UNIST)이 금속 소재 망간을 고성능 수전해 촉매로 활용할 수 있는 기술을 개발했다. 수전해는 물을 산소와 수소로 분해해 그린수소를 생산하는 기술이다. 기존 값비싼 이리듐 촉매 의존도를 줄여 그린수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다.
류정기·이준희 UNIST 에너지화학공학과 교수팀(이하 류 교수팀)은 망간 산화물에 희토류 원소 '네오디뮴(Nd)'을 넣어, 강한 산성 환경에서도 1000시간 이상 작동하는 고성능 산소 발생 망간 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다.
수전해에서 수소를 효율적으로 생산하려면 짝을 이루는 산소 발생 반응이 원활해야 한다. 이를 돕는 촉매가 값비싼 희귀금속 이리듐이다. 망간은 값싸고 매장량이 풍부해 촉매로 주목받고 있지만, 산성 환경에서 쉽게 손상되는 단점을 안고 있다.
류 교수팀은 망간 산화물에 네오디뮴을 넣어 성능과 내구성을 높인 이리듐 대체 촉매를 만들었다.
이 촉매는 강한 산성 용액에서 전극 면적 1㎠당 200밀리암페어(㎃)의 전류가 흐를 때 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 같은 조건에서 네오디뮴을 넣지 않은 촉매는 약 300시간 이후 성능이 급격하게 떨어졌다.
이 촉매를 사용하면 같은 크기의 전류를 흘리는 데 필요한 추가 전압도 낮출 수 있다. 같은 속도로 산소를 발생하는 데 드는 전기에너지를 줄일 수 있다는 의미다. 실제 수전해 장치에 적용한 시험에서도 1㎠당 100㎃ 조건에서 600시간 이상 작동했다.
첨가한 네오디뮴은 망간 촉매 안에서 반응을 촉진하고 구조도 안정화하는 역할을 했다. 3가 망간을 포함한 산화망간(Mn₂O₃) 영역은 산소 발생 반응을 촉진하고, 이산화망간(MnO₂) 영역은 산성 환경에서 촉매의 구조를 지탱해 준다.
네오디뮴이 망간에 들어가면 주변에 전자를 공급해 결합 상태를 조절하고 반응에 유리한 상태를 유지하도록 돕는다. 류 교수팀은 실험과 이론 계산으로 이러한 전자 공급과 결합 강화 효과를 확인했다.
연구 결과는 9월 네이처커뮤니케이션스에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com