December 15,2019

획기적인 물 전기분해 촉매 발견

완전한 재생에너지 가능할 지도

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이산화탄소 배출량을 줄이는 것은 21세기 인류 문명이 직면한 가장 큰 도전이다. 특히 점점 증가하는 세계 인구와 이에 수반되는 에너지 수요를 감안할 때 더욱 그렇다.

한 가지 희망적인 신호는 재생에너지를 사용하여 얻은 전기로 물을 분해해서 풍부한 에너지를 내는 수소를 생산해 내는 것이다. 이렇게 생산한 수소는 연료 전지에 저장돼 사용될 수 있다.

이것은 풍력 발전과 태양열 발전으로 생산한 전기로 물을 분해해서 에너지를 생산하기 때문에 이산화탄소를 배출하지 않는 완전한 재생에너지 사이클을 형성할 수 있다.

그러나 본질적인 문제는 물이 매우 안정되어 있어서, 물을 분해하기 위해서는 엄청난 에너지가 필요하다는 것이다. 특히 넘어야 할 주요 장애물은 산소 생산과 관련된 에너지의 ‘과전압’이다. 과전압은 수소 분자를 생산하기 위해 물을 분해하는 과정에서 발생하는 병목 현상이다.

트리니티 대학(Trinity College) 과학자들은 전 세계에 완전히 재생 가능하고 깨끗한 에너지를 제공할 수수께끼를 푸는 데 큰 진전을 이루었다.

고가의 촉매 대체할 공식 발견    

연구진은 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널 최신호에 발표한 논문에서 “전기화학적 전기분해로 수소를 대량 생산하는 데 있어서 큰 걸림돌은 ‘산소 발생 반응’(OER)에 사용하는 촉매가 비쌀 뿐 아니라 효율이 낮다는 점”이라고 밝히고 “저렴하면서도 효율인 촉매 개발 공식을 발견했다고 발표했다.

맥스 가르시아-멜코르 교수(왼쪽)와 마이클 크레이그. ⓒ 트리니티 칼리지

맥스 가르시아-멜코르 교수(왼쪽)와 마이클 크레이그. ⓒ 트리니티 칼리지

물을 전기분해하려면 촉매가 필수적이다. 주기율표에서 매우 희귀한 금속인 루테늄이나 이리듐은 물을 분해하는데 효과적이지만, 이 금속을 상업화하기는 엄청나게 비싸다. 그 밖의 저렴한 촉매를 선택하면 효율성과 안전성 측면에서 안정적이지 못하다.

지금까지 아주 오랫동안 효율적인 비용으로, 효과가 매우 높고 강력한 촉매를 발견하지 못했다.

물을 쉽게 전기분해하는 촉매 제조 공식을 발견했다. ⓒ픽사베이

물을 쉽게 전기분해하는 촉매 제조 공식을 발견했다. ⓒ픽사베이

맥스 가르시아-멜코르(Max Garcia-Melchor) 교수팀은 물 분해 과정을 연구하면서 다음과 같은 중요한 발견을 했다.

지금까지 과학자들은 좀 더 반응적인 촉매의 활동을 과소평가해 왔으며, 반응적인 촉매의 활동을 조정하면, 어렵게만 생각했던 ‘과전압’ 장애물을 쉽게 제거할 수 있다는 사실을 발견했다.

게다가, 물을 분해하는 촉매의 효율성을 예측하는데 오랫동안 사용된 이론 모델도 가다듬어 진전을 이룩했다. 이런 방식으로 연구팀은 사람들이나 혹은 슈퍼컴퓨터가 찾기 어려웠던 촉매 검색을 쉽게 만들었다.

인공지능 컴퓨터 시뮬레이션 활용

물을 나누기 위해 가장 잘 작용하는 촉매들은 비싸고 제한적이다. 그러나 연구팀은 “동종 촉매들은 화학 공간의 광대한 크기 때문에 본질적으로 무한히 조절할 수 있다”는 새로운 영역을 발견했다.

이러한 ‘설계 원리’에 따라 과학자들은 가상의 촉매가 가져야 할 특성을 선택했다. 과학자들은 각 구성 요소에 대해 광범위한 값을 고려하고, 다른 모든 값을 포함하는 배합을 시험함으로써, 이전의 장애물을 거의 0으로 줄일 수 있는 매우 유망한 후보 배합을 발견했다.

이번 논문의 주저자인 마이클 크레이그(Michael Craig)는 “이제 최적화를 모색해서 적절한 조합을 찾으면 된다”고 말했다.

연구팀은 이제 인공지능을 활용해서, 무한에 가까운 조합 중 어떤 것이 가장 큰 성과를 가져다주는지를 찾아낼 계획이다.

맥스 가르시아-멜코르 교수는 “녹색 에너지 설루션을 찾아야 한다는 절박한 필요성을 감안할 때 과학자들이 한동안 비용면에서 효율적이고 신뢰할 수 있는 마법의 촉매제를 찾는 것은 놀랄 일이 아니다”고 말했다.

그러나 이전에는 그런 사냥이 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 비슷했다. 연구팀이 아직 결승선을 넘지는 못했지만 건초더미 크기를 크게 줄였고 남은 건초 역시 인공지능을 활용하면 큰 도움이 될 것으로 확신한다고 맥스 가르시아-멜코르 교수는 말했다.

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