April 21,2019

안정성 뛰어나고 저렴한 ‘물 분해 촉매’ 개발

울산과기원, 친환경적 수소 생산 기대

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울산과학기술원(UNIST) 연구진이 안정성이 뛰어나고 저렴하며 성능도 뛰어난 ‘수전해(물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 것) 촉매’를 개발했다.

박혜성·김건태·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수팀은 전이금속칼코겐화합물과 페로브스카이트산화물을 결합한 ‘이종구조 수전해 촉매’를 개발했다고 12일 밝혔다.

수소를 생산하는 친환경적 방법으로 수전해 기술이 꼽히는데, 이때 물 분해 반응을 돕는 촉매가 필요하다.

그동안은 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매 성능이 우수하다고 보고됐지만, 가격이 비싸고 안정성이 낮아 상용화가 어려웠다.

연구진은 전이금속칼코겐화합물인 몰리브덴다이셀레나이드와 페로브스카이트산화물인 란탄스트론튬코발트산화물을 용기에 넣고 쇠구슬과 함께 굴리는 간단한 방법(볼밀 공정)으로 이종구조 촉매를 합성했다.

이렇게 만들어진 촉매는 수소발생 반응과 산소발생 반응 양쪽에서 귀금속 촉매에 근접한 성능을 보였다. 귀금속 촉매가 둘 중 한 곳에서만 우수한 성능을 보이는 것과 차별화되는 부분이다.

이 촉매는 1㎠ 면적에 100㎃(밀리암페어)의 전류를 흘려도 전극 손상 없이 1000 시간 동안 안정적으로 작동했다.

기본 촉매들은 같은 면적에 50㎃ 이상 전류를 흘려도 오래 가지 않아 전극이 손상되는 문제가 있었다.

특히 두 물질을 합성하는 과정에서 전이금속칼코겐화합물 일부가 금속 성질로 바뀌면서 촉매 성능과 안정성이 획기적으로 향상됐는데, 이처럼 반도체 성질이 금속 성질로 변하는 독특한 상전이 현상은 이번 연구에서 최초로 발견돼 실험적·이론적으로 규명됐다.

박혜성 교수는 “이번에 제안한 촉매 설계는 다양한 화합물로 조합할 수 있어 잠재력이 무궁무진할 것”이라고 예상했다.

김건태 교수는 “수전해 촉매를 상용화하려면 간단한 합성, 대량화, 재현성, 저비용, 고성능, 고안정성 등이 수반돼야 하는데, 새로 개발한 촉매는 이런 조건을 만족시킬 것으로 기대된다”고 전망했다.

이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 12일 자 온라인판에 게재됐다.

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