꿈의 소재 '맥신'의 변신…더 값싼 수소 공정 만든다

이성수 전자파솔루션융합연구단 선임연구원 연구팀이 몰리브데넘계 맥신(Molybdenum-based MXene)'을 개발, 이를 수소 생산에 활용할 방법을 고안했다. /사진=KIST

국내 연구팀이 '꿈의 소재' 맥신을 활용해 차세대 친환경 에너지원으로 꼽히는 수소 생산의 비용을 낮출 수 있는 방법을 개발했다.

KIST(한국과학기술연구원)는 이성수 전자파솔루션융합연구단 선임연구원 연구팀이 '몰리브데넘계 맥신(Molybdenum-based MXene)'을 개발, 이를 수소 생산에 활용할 방법을 고안했다고 7일 밝혔다. 수소 생산을 위한 촉매로 활용해 전체 생산 비용을 줄일 수 있을 것으로 내다봤다. 연구 결과는 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 비(Applied Catalysis B) 6월호에 실렸다.


수소는 석유나 석탄을 대체할 대표적인 '무공해' 에너지원으로 꼽힌다. 수소를 연소하는 과정에서 물과 산소만 배출되기 때문이다. 수소 생산 방식은 친환경 정도에 따라 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소로 나뉜다. 그중 그린 수소는 물을 전기 분해에 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산하는 가장 친환경적 방법이다.

그린 수소를 생산하려면 먼저 물을 수소 분자와 산소 분자로 분해하기 위한 촉매가 필요하다. 촉매의 입자가 작을수록 반응이 잘 일어나지만, 시간이 지나며 작은 촉매들이 뭉치는 현상이 발생해 수소 생산 효율이 떨어진다. 이때 필요한 것이 촉매의 특성을 유지하는 '지지체'다. 연구팀은 금속 원소인 몰리브데넘(Mo)을 적용한 맥신을 촉매 지지체로 활용하는 방법을 제안했다.

맥신은 2011년 처음 발견된 납작한 2차원 평면구조의 나노소재다. 금속 원소로 이뤄져 있어 전도성(물질 내에서 전류가 흐르는 성질)을 띠면서도 다양한 용매에 잘 녹는 친수성 물질이어서 여러 분야에서 두루 활용도가 높다. '꿈의 물질'로 불리는 이유다.


연구팀이 몰리브데넘 기반 백신을 촉매 지지체로 활용하자, 맥신의 표면을 구성하고 있는 몰리브데넘 원자와 촉매인 코발트 사이에 강한 화학 결합이 만들어졌다. 그 결과 촉매의 내구성이 강화됐다. 이처럼 성능이 높아진 촉매를 적용했을 때의 수소 생산 효율을 측정한 결과, 적용 이전에 비해 효율성이 약 2.45배 증가했다고 밝혔다.

연구팀은 "몰리브데넘계 맥신은 산화 반응에 안정적이어서, 산화에 취약한 티타늄 촉매의 불완전성을 극복할 수 있을 것"이라고 설명했다. 그러면서 "이를 통해 그린 수소 생산 비용을 줄이고 향후 대규모 수소 발전소 등에도 활용할 수 있다"고 전망했다.

연구를 이끈 이성수 선임연구원은 "맥신을 구성하는 원소를 제어해 그린 수소 생산 환경에 적합한 후보군을 찾을 수 있었다"며 "수소 생산 효율을 높이고 내구성이 강한 촉매를 개발해 수소 기반 생태계 활성화에 기여하겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 KIST 주요 사업과 기초과학연구사업의 지원을 받아 수행됐다.