물 분해해 수소 만드는 고효율 촉매 개발

UNIST, 루테늄 유기체 기반 촉매 합성과 평가 성공

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 수소를 값싸게 생산하는 고효율 촉매를 만들고, 실제 성능 평가까지 성공했다.

백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 루테늄(Ru)과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 결합한 물 분해용 수소 촉매 ‘Ru@MWCNT’를 개발했다고 18일 밝혔다.

수소는 우주 질량의 75%를 차지하는 풍부한 원소로, 친환경 미래 자원으로 주목받는다.

그러나 현재 수소 생산은 대부분 천연가스 등 화석 연료를 원료로 삼아 생산과정에서 오염물질이 배출된다.

물을 전기로 분해해 수소와 산소를 얻는 방법이 대안으로 제시되지만, 이때는 백금처럼 값비싼 촉매가 필요하다.

백 교수팀은 백금 촉매를 대체하면서 성능이 우수하고 저렴한 수소 촉매를 꾸준히 개발해 왔다.

이번에 개발한 Ru@MWCNT 촉매는 그동안 발표한 금속 유기체 촉매보다 우수한 전기화학적 특성을 보였다.

과전압은 기존 촉매 중 가장 낮았으며, 물의 산성·염기도에도 크게 영향을 받지 않았다.

새 촉매는 단일한 벽을 가진 탄소나노튜브(CNT)가 서로 중첩된 형태에 작은 루테늄 입자가 고르게 분포된 구조다.

우수한 성능은 루테늄 입자가 작고 고르게 분포한 덕분인데, 연구진은 이를 위한 제조공정도 개발했다.

연구진은 새 촉매 성능 평가를 위해 기존 과전압 측정 외에 ‘물 분해 시스템’의 전극으로 만들어 평가하는 방법도 진행했다.

이 촉매를 전극으로 사용했을 때 수소 발생량을 실제 측정한 것이다.

그 결과 같은 조건에서 상용화된 백금 촉매보다 15.6% 많은 수소를 생산했다.

또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율도 92.2%로 백금 촉매(85.9%)보다 높았다.

이번 연구는 새롭고 우수한 촉매를 개발했을 뿐 아니라, 상업화에 필요한 실제 전극의 평가 방법을 제시했다는 평을 받는다.

특히 합성법이 간단한 새 촉매는 대량 생산에도 적합해 실용화를 앞당길 것으로 기대된다.

백 교수는 “수소 촉매 연구는 주로 촉매 자체 평가에 집중돼 있어 그동안 실제 물 분해 시스템에서 평가하기 위한 연구는 미흡했다”면서 “이번 연구는 촉매 자체 우수성은 물론 실제 적용했을 때 성능까지 짐작할 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

연구 성과는 자연과학 분야 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 9일 자로 공개됐다.

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