백종범·권영국 UNIST 에너지화학공학과 교수와 곽상규 고려대 교수 공동 연구팀이 분업형 수전해 촉매를 개발했다. 철 원자와 루테늄 입자가 수소 생산에 필요한 반응을 나눠 맡아 저비용으로 수소 생산 성능을 높일 수 있는 고성능 촉매다.
수전해는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술이지만 전력 소모가 크다는 게 문제다. 공동 연구팀은 기존 고성능 촉매인 백금보다 전력 소모는 낮고 수소 생산성은 높일 수 있는 '이중 활성점 촉매'를 개발해 이 문제를 해결했다.
이중 활성점 촉매는 백금 대비 저렴한 루테늄과 철을 섞은 형태다. 철 원자는 물 분자에서 수소 원자를 떼어내고, 루테늄 입자는 떼어낸 수소 원자를 결합해 수소 기체로 만들어 내보낸다.
수전해 방식은 물 분자에서 수소 원자를 떼어내는 단계가 유독 느린데, 이 단계를 철에 맡겨 전체 반응 효율을 높였다. 루테늄 또한 촉매 전체 무게의 2%에 불과하지만 무게당 활성은 백금 촉매의 6배 이상이다.
연구팀은 실제 수전해 장치에 적용해 잠재력을 확인했다. 차세대 수전해 방식으로 꼽히는 음이온교환막 수전해 셀에 촉매를 넣자 산업용 수준의 전류(1.0 A/cm²)를 1.66V의 낮은 전압에서 뽑아냈다. 같은 조건에서 백금 촉매는 1.93V가 필요하다.
1100시간을 넘게 쉬지 않고 돌려도 성능이 거의 떨어지지 않았다. 지금까지 보고된 유사 장치 가운데 가장 낮은 전압과 1000시간 이상의 수명을 동시에 달성했다.
촉매 제조도 쉽다. 흑연 가루와 질소 기체를 쇠구슬과 함께 밀폐 용기에 넣고 고속으로 돌린 뒤 루테늄을 얹으면 완성된다.
백종범 교수는 “흔한 철 원자와 극소량의 귀금속을 협력하도록 설계해 알칼리 수전해의 낮은 속도 한계를 넘어섰다”며 “대량 생산이 쉽고 실제 장치에서 장기 안정성까지 확인한 만큼 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 알칼라인 수전해 국가수소중점연구실 지원을 받았다. 연구 성과는 지난달 '어드밴스드 머티리얼스' 온라인에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com