저가 금속으로 기존보다 20배 싼 ‘수소 촉매’ 개발

전기 물 분해 반응을 통해 산소와 수소를 발생시키는 모습/사진=IBS

국내 연구진이 물 전기 분해 비용을 획기적으로 절감한 수소 생산 촉매를 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장 연구팀이 원가는 기존보다 약 20배 싸면서 생산성은 6배 정도 높고, 최소 4배 길게 지속하는 물 분해 촉매를 개발했다고 24일 밝혔다.


미래 친환경 연료로 꼽히는 수소는 현재 석유 정제과정의 부산물에서 얻고 있다. 물 분해를 통해 수소를 얻는 생산법이 나와 있지만, 비용이 많이 들어 채산성을 맞추기 힘들기 때문이다.

수소 생산법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해다. 물을 수소와 산소로 분해하는 것인데 이때 산소 발생 반응이 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 됐다.

생산 속도를 높이는 촉매로 주로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg당 7만 달러(약 7798만원)가 넘는 데다 24시간 이상 지속 되기 어려웠다.


연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했다.

연구진에 따르면 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다.

높은 성능의 촉매를 만들기 위해서는 속도 결정 단계가 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 4단계를 거쳐 만들어진다. 이 중 산소 발생 직전 단계인 OOH는 안정화가 어려워 다음 단계인 산소 발생 효율이 낮았다. OOH는 산소 생산 과정의 중간체가 금속에 흡착돼 있음을 의미한다. OOH 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다.

연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH를 안정화 시킬 것이라고 예상했다. 이에 따라 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다. 그 결과 촉매 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 산소 발생량이 가장 높음을 확인했다.

여기에 루테늄 원자를 더해 속도 결정단계에서 에너지 장벽을 줄이고 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다. 이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많았고, 훨씬 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다.

산소 발생속도가 빠를수록 전류밀도(면적 대비 얼마나 많은 전류가 흐르는지 가리키는 양)가 증가하는데, 기존 산화 루테늄(RuO2)은 제곱센티미터 당 10 밀리암페어(mA/cm2)의 전류 밀도를 얻기 위해 298 밀리볼트(mV)을 필요로 했다. 반면, 연구진이 개발한 전기촉매는 180 밀리볼트가 필요하다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율이 높다는 뜻이다.

또 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었다. 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 되어 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했다.

이효영 부연구단장은 “물 분해를 통한 친환경 수소를 석유·석탄 부생 수소보다 싼 가격으로 만드는 일은 오랫동안 한계에 직면해 있었다”며 “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 환경·에너지 분야 국제학술지인 ‘에너지&환경과학’에 게재됐다.