철과 루테늄이 각자 잘하는 일을 맡아 수소 생산에 필요한 전력을 줄이는 '분업형 촉매'가 나왔다.

21일 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 백종범, 권영국 교수가 고려대 곽상규 교수팀과 함께 철과 루테늄이 수소 생산에 필요한 반응을 나눠 맡는 분업형 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다.

수전해는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 기술이다.

태양광·풍력 등 재생에너지로 만든 전기를 사용하면 수소 생산 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않지만, 전력 소모가 큰 게 단점이다.

연구팀이 개발한 촉매는 이러한 전력 소모를 고성능 백금 촉매보다 줄일 수 있다.

전극 면적 1㎠당 10㎃(밀리암페어) 전류를 흘리는 조건에서 과전압이 13.8㎷(밀리볼트)로, 상용 백금 촉매의 29.4㎷보다 절반 이상 낮았다.

과전압은 반응을 위해 이론적으로 필요한 전압에 더해 가해야 하는 전압이다. 이 값이 낮을수록 수소 생산에 드는 전력을 줄일 수 있다.

개발된 촉매는 가장 흔하고 값싼 금속인 철과, 백금 대비 저렴한 루테늄이 섞인 형태다.

철이 물 분자에서 수소 원자를 떼어내는 역할을, 루테늄이 수소 원자들을 결합해 수소 기체로 내보내는 역할을 나눠 맡도록 설계됐다.

알칼리성 전해액을 쓰는 수전해에서는 물 분자에서 수소 원자를 떼어내는 첫 단계가 느린데, 이 단계를 철에 맡겨 전체 반응 효율을 높였다.

덕분에 귀금속인 루테늄이 촉매 무게의 2%만 들어갔는데도, 무게당 활성은 백금 촉매의 6배가 넘었다.

실제 수전해 장치에 검증했을 때 산업용 수준 전류를 1.66V의 낮은 전압에서 뽑아냈다. 같은 조건에서 백금 촉매는 1.93V가 필요했다.

또 1천100시간 넘게 쉬지 않고 돌려도 성능이 거의 떨어지지 않았다고 연구팀은 설명했다.

백종범 교수는 "흔한 철과 극소량 귀금속이 협력하도록 설계해 알칼리 수전해의 오래된 속도 한계를 극복했다"며 "대량 생산이 쉽고, 실제 장치에서 장기 안정성까지 확인한 만큼, 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단과 '알칼라인 수전해 국가수소중점연구실' 지원을 받은 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 지난 9월 10일 온라인으로 공개됐다.