촉매층 산소발생 활성점 15배 ↑…수소 시대 조기 상용화 기여 전망
국내 연구진이 가격이 저렴한 망간 산화물을 활용해 고순도 수소를 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 저비용 친환경 수소 생산으로 수소 시대 조기 상용화에 기여할 전망이다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이재영 지구·환경공학부 교수팀이 이기영 인하대 화학공학과 교수팀과 공동으로 전도성 탄소와 혼합된 망간 기반 촉매를 활용해 촉매 전기 전도도를 조절함으로써 수전해 성능을 향상시키는 데 성공했다고 17일 밝혔다.
수전해는 온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 수소 생산 방법이지만 전력비용이 비싸 실용화 걸림돌이 되고 있다. 수소를 더욱 폭넓고 다양하게 활용하기 위해서는 생산단가를 대폭 낮춰야 하며 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있는 고성능 촉매를 개발해야 한다.
이리듐·루테늄과 같은 귀금속은 산소 발생 반응을 일으키기 위한 우수한 촉매로 수전해에 주로 사용하고 있다. 하지만 가격이 비싸다는 단점을 갖고 있다. 이에 따라 가격이 저렴하고 우수한 니켈·코발트·철 등 전이 금속 기반 수소와 산소 발생 촉매 중요성이 커지고 있다.
망간 기반 금속 산화물은 자연계에 존재하는 대표적인 물분해 반응 촉매다. 구조적인 다양성과 풍부한 매장량, 무독성 등의 특징을 지녀 수전해 촉매로 활용하기 위한 많은 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 기존 망간 산화물은 일반적으로는 전기전도성이 낮고 특정 구조에서만 산소 발생 반응이 잘 일어난다고 알려져 있다. 특정 구조의 형성을 위해서는 산소 발생 반응 가운데 망간 산화물 완전한 산화가 필수적이다. 이를 위해서는 충분한 전기전도성이 필요하다.
연구팀은 전기전도성 확보를 위해 흑연화된 전도성 탄소를 촉매 층에 도입하고 반복적인 전기화학적 활성법으로 촉매 층 산소 발생 반응 성능을 향상시켰다. 그 결과 산소 발생 반응 활성이 15배 이상 증대했다. 새로 개발한 촉매 상업적인 활용 가능성을 판단하기 위해 제3세대 음이온 교환막 수전해법에 적용했을 경우 기존 촉매 대비 400% 높은 전류밀도에서 수소 생산이 가능함으로 확인했다.
이재영 GIST 교수는 “저렴한 망간 산화물을 활용해 촉매 활성점을 증대해 수전해 성능을 향상시킬 수 있는 촉매를 개발할 수 있었다”면서 “최근 니켈 가격상승으로 인해 대체 전이 금속 기반 전극 촉매 개발이 시급한 상황에서 이번 연구성과의 의미가 크다”고 말했다.
이기영 인하대 교수는 “망간 산화물을 수전해 촉매로 상용화하기 위한 원천기술을 확보했다”면서 “양극산화 기술을 통해 생성한 망간 산화물은 저비용 친환경 수소 생산에 기여할 것으로 기대한다”고 강조했다.
두 교수가 주도하고 함가현 GIST 박사(제1 저자)와 이재원 인하대 박사과정 학생(공동 제1 저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 및 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 이뤄졌다. 응용화학 분야 국제학술지인 '에너지 화학 저널' 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
