물을 산소와 수소로 분해해 그린수소를 생산하는 수전해 기술에서 값비싼 이리듐 대신 사용할 수 있는 고성능 망간 촉매가 나왔다.

7일 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 류정기, 이준희 교수팀이 망간 산화물에 희토류 원소인 '네오디뮴'을 넣어 강한 산성 환경에서도 1천시간 이상 작동하는 산소 발생 촉매를 개발했다고 밝혔다.

연구팀에 따르면 수전해는 전기로 물을 분해해 수소와 산소를 얻는 기술이다. 수소를 효율적으로 생산하려면 짝을 이루는 산소 발생 반응도 원활해야 한다.

이를 돕는 촉매로 값싸고 매장량이 풍부한 망간이 주목받는다. 식물 잎 속에서 물을 분해해 산소를 만드는 것도 망간 성분이다.

그러나 망간은 산성 환경에서 쉽게 손상되는 단점이 있어 값비싼 희귀 금속인 이리듐을 대체하기 어려웠다.

연구팀은 망간 산화물에 네오디뮴을 넣는 방법으로 반응 성능과 내구성을 높인 촉매를 만들었다.

이 촉매는 강한 산성 용액에서 전극 면적 1㎠당 200㎃(밀리암페어) 전류를 흘리는 조건으로 1천시간 이상 안정적으로 작동했다.

같은 조건에서 네오디뮴을 넣지 않은 촉매는 약 300시간 이후 성능이 빠르게 떨어졌다.

첨가된 네오디뮴은 망간 촉매 내부 반응을 촉진하는 부분과 구조를 안정화하는 부분을 함께 만드는 역할을 하는 것으로 나타났다.

3가 망간을 포함한 산화망간 영역은 산소 발생 반응을 촉진하고, 이산화망간 영역은 산성 환경에서 촉매 구조를 지탱해 준다.

원래 망간은 전자가 3개 부족한 3가 이온 상태에서 산소 발생 반응을 잘 돕지만, 고순도 수소를 생산하는 산성 환경에서는 3가 상태를 유지하지 못하고 2가와 4가 상태로 바뀌기 쉽다. 2가 상태 망간은 전해액에 녹아 나와 촉매 성능과 내구성을 떨어뜨린다.

네오디뮴은 망간에 전자를 공급하고 결합 상태를 조절해 반응에 유리한 3가 상태를 안정적으로 유지하도록 돕는다.

연구팀 관계자는 "값비싼 이리듐을 사용하지 않고도 산성 환경에서 오래 작동할 수 있는 망간 기반 촉매 가능성을 보여줬다"며 "기술이 발전하면 수전해 장치에 들어가는 귀금속 사용량을 줄여 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단 등의 지원을 받은 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 지난 9월 11일 게재됐다.