수소 경제 시대가 도래하면서 친환경 수소 생산방법 연구가 활발하다.
전기화학적으로 물에서 수소를 생산하는 방법에 대한 연구가 많다. 일반적으로 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 귀금속이 산소 발생 반응에 높은 반응성을 가진 것으로 알려져 있으나, 경제성이 떨어지고 안정성이 낮아 새로운 종류의 고안정성 저가 촉매 개발이 요구된다.
국내 연구팀이 물 전기분해로 수소를 만드는 데 필요한 촉매를 저렴하고 내구성이 높은 코발트계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용하던 귀금속 촉매와 비교하면 비용이 100분의 1 수준이면서도 성능은 거의 동일한 수준이다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 인화코발트 나노입자를 산소발생 반응 전구촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현하는데 성공했다.
수소에너지는 채굴량 한계나 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는다. 특히 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시키는 수소 스테이션 방법은 고순도 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있다. 하지만 건물크기 수준 대용량 수조가 필요해 도심에서 쉽게 사용하려면 전극을 소형화하는 등의 과제가 남아있다.
현재는 전지 양극(+)인 산소 발생용 전극 재료로 이리듐이나 루테늄 계열의 귀금속 촉매가, 음극(-)인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 우수하지만 비용이 높아 한계가 있다.
전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 양극에서 일어나는 산소 발생 반응이다. 음극 반응은 4개의 전자가 관여하는 복잡한 반응이기 때문에 음극 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리다. 때문에 산소 발생을 위해 높은 추가 전압과 에너지를 필요로 한다. 따라서 가격이 낮으면서도 추가 전압이 낮고, 안정성은 높은 양극 원료 개발이 필요하다.
유 박사팀은 저가 코발트기반 화합물로 촉매를 제작하고, 산소발생이 일어나는 높은 전압조건에서 해당물질 구조 변화를 인과 코발트의 상호작용을 통해 제어했다.
연구팀은 인화코발트에 존재하는 포스페이트(인의 산화형 구조)가 나노입자 변이과정에 관여하는 것으로 보이며, 궁극적으로 독특한 미세한 그물구조의 분산된 형태와 분자 클러스터구조를 갖는다고 밝혔다. 유도된 분자 클러스터 구조는 높은 산화수준을 유지해 산소 발생에 유리한 촉매환경을 극대화한다.
이렇게 활성화된 코발트 화합물은 소량만 사용해도 10㎃/㎠의 전류를 얻는데 0.36V의 낮은 과전압이 소요된다. 이리듐 촉매 과전압이 약 0.35V인 점을 감안하면 세계 최고수준으로 평가된다. 내구성도 뛰어나 높은 전류와 전압 조건에서 운행한 12시간 동안의 물 분해 조건에서도 성능이 거의 감소하지 않았다. 기존 촉매보다도 내구성이 뛰어났다.
인화코발트 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 코발트를 기반으로 하기 때문에 가격이 저렴한 것이 장점이다. 인화코발트 화합물을 합성하는 조건 역시 단일 단계 공정이어서 제작비용이 저렴하다. 인화코발트 나노입자는 양극뿐 아니라 음극에서도 수소발생 반응성이 높아 한 가지 재료를 양기능성 촉매로 쓸 수도 있다.
유성종 박사는 “산소발생반응 촉매 전구체라는 관점에서 나노입자를 제어해 실제 작동하는 활성화된 촉매의 물리적 화학적 구조를 제어했다는 점에서 기존 연구와 차별성이 있다”며 “수소에너지 보급 및 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다.
연구결과는 촉매 분야 국제 학술지 ‘ACS Catalysis’ 2일자에 게재됐고, 국내특허를 출원한데 이어 해외특허 출원도 진행 중이다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
