October 17,2019

물 연료화 촉매 개발 현주소는?

고도로 안정적인 다공성 새 촉매 발견

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언젠가 ‘물로 가는 자동차’ 관련 이슈가 떠오른 적이 있다.

과학기술이 인간의 상상을 기반으로 실용화돼 왔다는 것을 감안하면,  ‘물로 가는 자동차’같은 아이디어도 언젠가는 현실이 될 것으로 보인다.

실제 수소자동차가 상용화되고 있는 현실에서 연료탱크에 물을 싣고 이를 수소와 산소로 분리해 연료로 사용한다는 것은 누구나 쉽게 해볼 수 있는 ‘상상’이다.

물에서 산소와 수소의 결합을 끊는 것은 수소를 지속적으로 생산할 수 있는 핵심 열쇠다. 그러나 경제성을 가지고, 이를 실행 가능한 방법을 찾는 것은 아직까지 매우 어려운 일로 여겨지고 있다.

최근 미국 일리노이대(어바나-샴페인) 연구진은 많은 장애요소를 제거한, 양이 풍부하고 산성조건에서 안정적이며 효율적인 새로운 수소-생성 촉매를 개발했다고 화학 저널 ‘응용 화학’(Angewandte Chemie)지에 보고했다.

연구팀은 이 촉매가 과염소산이라는 물질을 금속과 혼합해 만든 전기촉매 재료라고 밝혔다.

간단한 물 전기분해 장치. 물에서 수소를 쉽게 분리해 낼 수 있다면 에너지 혁명을 일으킬 수 있으나 기술 개발이 쉽지 않다. CREDIT: Wikimedia Commons / Nevit Dilmen

간단한 물 전기분해 장치. 물에서 수소를 쉽게 분리해 낼 수 있다면 에너지 혁명을 일으킬 수 있으나 기술 개발이 쉽지 않다. CREDIT: Wikimedia Commons / Nevit Dilmen

두 금속원소와 산소 복합체 사용

전해조(electrolyzers)는 전기를 사용해 물 분자를 수소와 산소로 분해한다. 이런 장치들 가운데 가장 효율적인 것은 금속 복합체인 산화 이리듐이나 산화 루테늄으로 만든 전극 재료와 부식성 산을 사용하는 것이다.

산화 이리듐은 이 둘 가운데 더 안정적이지만 지구상에서 가장 희귀한 원소 중 하나다. 때문에 연구팀은 대체물질을 찾아 나섰다.

논문 공저자인 홍 양(Hong Yang) 일리노이대 화학 및 생물분자공학 교수는 “이전에 수행된 대다수의 연구는 금속과 산소 두 가지 요소로만 만들어진 전해조로 실시됐다”며 “최근 연구에서 우리는 이트륨(yttrium)과 루테늄(ruthenium) 두 금속원소와 산소 복합체를 사용하면 물 분해 반응률이 증가한다는 사실을 발견했다”고 말했다.

논문 공저자이자 양 교수실 연구원이었던 야오 킨(Yao Qin)이 다른 산과 가열 온도로 이 새 재료로 만든 과정에 따라 처음 실험을 실시한 결과 물 분해 반응률을 높일 수 있었다.

다양한 천연가스 가격에서 H2 생산 비용($ -gge untaxed). 왼쪽 그림자 부분은 2016년 현재의 천연가스 현물 가격.  CREDIT: Wikimedia Commons / Daniel Williams

다양한 천연가스 가격에서 H2 생산 비용($ -gge untaxed). 왼쪽 그림자 부분은 2016년 현재의 천연가스 현물 가격. CREDIT: Wikimedia Commons / Daniel Williams

다공성 높은 새로운 결정 구조 생성

연구팀은 과염소산을 촉매로 사용해 혼합물에 열을 가해 반응시키면 이트륨 루테네이트 복합체의 물리적 특성이 변한다는 사실을 발견했다.

논문 제1저자인 김재민(Jaemin Kim) 박사후 연구원은 “우리가 전에 만든 모든 고체 촉매와는 달리 복합체의 다공성이 높아지고 새로운 결정 구조를 갖게 된다”고 밝혔다.

연구팀이 개발한 새로운 다공성 물질인 이트륨 루테네이트 파이로클로르(pyrochlore) 산화물은 현재의 산업표준보다 더 높은 비율로 물 분자를 분해시킬 수 있다.

양 교수는 “다공성 구조는 활성이 증가돼 전기 촉매로서 매우 바람직하다”며 “이런 기공들은 나노미터 크기의 템플릿과 세라믹을 만드는 물질을 합성해서 생산할 수 있으나 고품질의 고체 촉매를 만드는데 필요한 고온 조건 아래서는 유지될 수 없다는 게 문제”라고 밝혔다.

수소 연료 생산을 위한 물 분자 분해에 필요한 새로운 물질을 개발한 연구진들. 왼쪽부터 논문 제1저자인 김재민 박사후 연구원, 홍 양 교수, 페이-쉬에 쉬 대학원생. CREDIT: PHOTO BY L. BRIAN STAUFFER

수소 연료 생산을 위한 물 분자 분해에 필요한 새로운 물질을 개발한 연구진들. 왼쪽부터 논문 제1저자인 김재민 박사후 연구원, 홍 양 교수, 페이-쉬에 쉬 대학원생. CREDIT: PHOTO BY L. BRIAN STAUFFER

“수소 생성 연구에 큰 영향 미칠 것”

양 교수팀은 자신들이 만든 새 물질을 전자현미경으로 관찰한 결과 이전에 개발한 원래의 이트륨 루테니이트보다 기공이 네 배나 더 많고, 현재 상업적으로 사용되는 이리듐 루테늄 산화물보다 세 배나 더 많다는 것을 알아냈다.

양 교수는 “이 반응의 촉매제로 선택한 산이 전극으로 사용된 물질 구조를 개선한다는 사실을 알고 놀랐다”며 “이런 일이 일어난 것은 우연이지만 우리에게는 매우 값진 결과”라고 말했다.

양 교수팀은 다음 단계로 실험실 규모의 장치를 만들어 추가 테스트를 하고 산성 조건 하에서 다공성 전극의 안정성을 지속적으로 개선할 계획이다.

양 교수는 “우리의 연구는 이 분야의 다른 작업들과 비교할 때 보다 새로운 것이라 할 수 있다”고 말하며 “미래의 지속가능한 에너지를 위한 수소 생성에 큰 영향을 미칠 것”이라고 강조했다.

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