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촉매 효율 100%로 수소 만드는 신 촉매 개발…UNIST연구팀, 단일 원자를 이용한 루테늄 촉매 합성

2019-07-30박응서 기자

교신저자 겸 1저자인 트와리 박사와 공동 교신저자인 하미란 연구원이 새로 개발한 촉매에 대해 논의하고 있다. 사진제공 UNIST

수소는 화석연료를 대체할 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 수소 생산에 에너지가 많이 쓰이면 효율이 떨어진다. 이에 세계적으로 적은 에너지로 수소를 얻기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

최근 국내 연구진이 이론적으로 극한값에 근접하는 극소량 에너지로 수소를 만드는 전기 촉매를 개발했다.

UNIST는 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함자리에 ‘루테늄(Ru) 단일원자’와 ‘질화된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’를 혼성한 새로운 촉매다.

현재 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 데 가장 효율적인 촉매는 백금 기반 촉매다. 하지만 백금은 휘귀하고 고가여서, 과학자들은 이를 대체할 수 있는 물질 개발에 나서고 있다. 그러나 지금까지 보고된 새 촉매는 효율이 백금과 비슷한 수준이고, 산성이나 염기성 매질 중 한쪽에서 성능이 떨어지거나 내구성이 낮아졌다.

연구팀은 수소발생반응을 활성화시키는 능력이 탁월하면서도, 산성과 염기성 용액 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아낸 덕분이다. 또 구 모양의 탄소 구조체인 풀러렌을 이용해 촉매를 감싸면서 안정성을 더했다.

새롭게 개발한 촉매는 산과 염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7㎷의 과전압을 기록했다. 과전압이 낮을수록 수소를 만드는 데 사용하는 에너지 소비가 적다. 그만큼 효율 높은 촉매가 된다. 특히 새 촉매는 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율이 100%에 가까웠다.

김광수 교수는 “새 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”며 “액체 추진 로켓이나 선박 같은 다양한 환경에서 수소발생을 촉진하는 촉매로 사용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이 연구는 에너지 분야 권위 학술지인 ‘첨단에너지물질(Advanced Energy Materials)’ 7월호 표지 논문으로 게재됐다.

이 연구는 '첨단에너지물질' 최신호 표지논문으로 선정됐다. 사진제공 UNIST

 

박응서 테크엠 기자  gopoong@techm.kr