수소 생산 위한 효율 높고 값싼 물분해 촉매 개발

UNIST 연구진 성과, ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 게재

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 수소 생산을 위한 수전해 효율을 높이고 가격을 낮춘 촉매를 개발했다.

김광수 자연과학부 화학과 특훈교수팀은 물의 전기분해에 쓰일 저렴한 촉매로 ‘철·코발트· 인산’ 물질을 개발했다고 25일 밝혔다.

물 분해 반응에서 수소와 산소를 만드는 반응은 동시에 일어나는데, 산소 발생 반응이 상대적으로 느려 전체 물 분해 반응의 효율을 떨어뜨린다. 이를 극복하려고 산화이리듐과 산화루테늄을 촉매로 써서 산소 발생 반응 속도를 높이고 있지만, 이들 촉매는 안정성이 낮다. 비싼 귀금속인 이리듐과 루테늄이 주성분이라는 한계점도 있다.

김 교수팀은 값싼 물질을 이용하면서도 효율과 안정성을 높인 산소 발생 반응용 촉매를 개발했다. 산화 그래핀 지지대 위에 철(F), 코발트(Co), 인산(P)을 넣은 물질이다. 이 촉매에서 산소 발생 반응은 철과 코발트 원자 위에서 일어난다. 원자 주위 전자 분포와 화학결합이 산소 발생 반응 효율을 결정하는데, 새로 개발한 촉매는 첨가된 인산이 이 부분을 최적화하는 것으로 확인됐다.

철·코발트·인산 촉매는 상업용으로 사용하는 산화이리듐 촉매보다 25% 이상 개선된 효율을 보였다. 촉매 효율은 반응에 추가로 들어가는 전기에너지(과전압)로 평가한다. 촉매 1㎠당 100㎃(밀리암페어)의 전류 밀도를 얻을 때 산화이리듐은 303㎷(밀리볼트)가 필요하지만, 새 촉매는 237㎷만 필요했다.

새 촉매는 5000번 이상 반응한 후에도 구조적으로 크게 변하지 않고, 70시간 동안 반응을 지속해도 반응성을 유지하는 등 안전성도 뛰어났다. 또 촉매를 구성하는 산화 그래핀 지지대가 철·코발트와 인산의 낮은 전기 전도도를 보완, 한층 우수한 반응성을 보였다.

이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.

울산 박정훈 기자