비싼 백금 대체 수소발생 촉매 기술 개발

머니투데이

김세관 기자

수소발생반응의 반응 원리를 보여주는 모식도/사진제공=UNIST

한국·중국연구진이 차세대 에너지원으로 꼽히는 수소에너지를 현재보다 더 효율적이고 저렴하게 물에서 뽑아낼 수 있는 촉매 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀은 23일 중국 연구진과 공동으로 백금(귀금속)을 대체할 수 있는 이리듐(Ir)-질수(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성했다고 밝혔다.

수소는 무한 재생산이 가능한 차세대 에너지원으로 꼽힌다. 현재 수소는 대부분 석유나 석탄, 천연가스 같은 화석연료에서 분리해 얻는다. 그러나 이런 방법은 제조단가는 낮아도 수송비가 매우 높고 환경오염 문제에서 여전히 자유로울 수 없다는 문제가 있다.

그래서 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술이 활발하게 연구돼 왔다. 전기분해로 수소를 생산하는 수소발생반응에서는 촉매의 역할이 가장 중요하다. 대표적인 촉매가 백금이다. 하지만 가격이 높고 안정성도 좋지 않아 대중화에는 한계가 있었다.

이에 따라 이리듐이 백금을 대체할 차세대 촉매로 각광을 받았다. 그러나 이리듐도 문제가 있다. 수소 발생 반응을 위해선 수소 원자가 이리듐에 붙게(흡착) 해야 한다. 그런데 흡착에 필요한 에너지가 백금보다 높다. 흡착 에너지를 낮춰야만 이리듐도 수소 에너지 발생 촉매로서 대중성을 확보할 수 있다.

이번에 연구진이 개발한 것이 이리듐의 흡착 에너지를 낮추는 기술이다. 질소와 탄소로 이리듐 원자의 '전자껍질(Orbital)'을 조절하는 방법을 제안한 것. 이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질의 질소와 탄소를 적절히 배치해 수소원자를 당기는 힘을 키워주는 기술이다. 줄을 당길 때 옆에서 도와주는 사람이 있으면 당기는 힘이 더 커지는 원리와 같다고 연구진은 설명했다.

이렇게 구축한 촉매의 전기화학적 수소 발생 성능을 확인한 결과, 백금이나 이리듐보다 뛰어난 것으로 나타났다. 이리듐도 백금처럼 귀금속이지만 이 기술을 사용하면 이리듐 소량과 값싼 탄소·질소를 섞어 고효율의 수소에너지 생산 촉매를 만들어 낼 수 있게 된다.

연구진은 "전자껍질을 조절하는 새로운 방법으로 촉매 효율을 높인 연구"라며 "상용화 될 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것"이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 6일자로 게재됐다.