기존보다 수소 생산효율 6배↑…‘샌드위치 촉매’ 개발

샌드위치 촉매의 물 분해 수소발생 기작도.[포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 화석연료의 대체 에너지로 주목받고 있는 수소에너지를 생산에 샌드위치 방식이 접목된다.

포항공과대학교(POSTECH) 화학과 이인수 교수 연구팀은 물 분해를 촉진해 수소에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 ‘샌드위치 구조 촉매’를 개발했다고 19일 밝혔다.

수소연료전지는 산소(O₂)와 수소(H₂)가 물(H₂O)을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경적 발전장치다. 최근 수소전기차가 출시되고 가정에도 수소연료전지가 보급되면서, 수소는 화석연료를 대체할 차세대 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 태양광이나 풍력에서 얻어지는 잉여전류를 사용해 물을 분해하고 수소를 생성하는 방법은, 고순도의 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 쉬우면서 친환경적인 방식으로 여겨진다. 하지만 생산 효율이 낮고 비용이 높다는 단점이 있다. 물 전기분해를 통해 생산되는 수소연료의 단가를 낮추기 위해서는 수소발생 효율을 극대화할 수 있는 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다.

백금은 수소생성 반응에 가장 적합한 촉매 물질로 여겨져 왔지만, 물 분자에 대한 낮은 친화도와 이에 따른 느린 물 분해 속도 때문에 알칼리 전해질 조건에서 이루어지는 상업적인 공정에 적용하는 데에 어려움이 있다.

연구팀은 촉매의 효율과 내구성을 동시에 향상하기 위해서 2차원 형태의 백금/금속-수산화물 계면을 설계했다. 수 나노미터(nm) 두께의 박리된 니켈/철-수산화물 표면에 약 1nm의 백금층을 성장시키는 독창적인 방법으로 다공성 2D-백금-나노판 사이에 2D-니켈/철-수산화물-나노판이 끼어 있는 샌드위치 형태의 2D-2D 나노하이브리드 물질을 합성하는 데에 성공했다.

합성된 샌드위치 촉매는 넓은 2D-2D 계면에 걸쳐서 밀접하게 접촉하고 있는 금속-수산화물과 백금 사이에서 상호보조적인 촉매 효과가 일어난다. 이때 기존의 촉매 물질에 비해 6배 이상 높은 활성을 나타냈으며, 50시간이 넘는 장시간의 물 분해 수소생산 과정에서도 활성의 감소 없이 촉매 기능을 안정적으로 유지하는 것으로 확인됐다.

이인수 교수는 “샌드위치 촉매는 탄소 지지체를 사용하지 않는 물질 중에서 가장 높은 알칼리 용액 수소 발생 촉매 활성을 지니면서도, 불과 3~5시간 정도에서 안정적인 유사 전기화학 촉매보다 크게 향상된 내구성을 보이는 촉매 물질”이라며 “경제성 높은 수소 생산공정을 개발하는 데에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다.

이번 연구성과는 미국화학회 국제학술지 ‘ACS 나노’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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