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20배 싸면서 더 오래가는 수소 생산 촉매 개발

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    20배 싸면서 더 오래가는 수소 생산 촉매 개발

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    IBS "친환경 수소 보급에 기여"

    물 분해 과정. (사진=기초과학연구원 제공)

     

    차세대 친환경 연료인 수소를 값싸게 얻을 수 있는 기술을 국내 연구진이 내놨다.

    기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 이효영 부연구단장 연구팀이 원가가 20배 싸면서 생산성은 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속하는 물 분해 촉매를 개발했다고 24일 밝혔다.

    수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해로 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 것이다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서 생산성을 낮추는 원인으로 작용했다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg당 7만 달러가 넘는 데다 24시간 이상 지속하기도 어려웠다.

    연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru) 위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했다. 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 성능을 지속할 수 있는 것이 특징이다.

    연구진은 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다.

    그 결과 촉매 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 많음을 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 많았다. 훨씬 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있다는 것도 확인했다.

    기존 산화 루테늄(RuO2)은 제곱센티미터 당 10밀리암페어(mA/cm2)의 전류 밀도를 얻기 위해 298밀리볼트(mV)을 필요로 했지만, 개발한 전기 촉매는 180밀리볼트가 필요하다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율이 높다는 뜻이다.

    이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다고 연구진은 설명했다.

    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 개발하면서 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

    이번 연구 결과는 국제 학술지 '에너지와 환경과학'(Energy & Environmental science) 지난 4일 자 온라인판에 실렸다.

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