온도제어로 금속나노입자 최적화…기본보다 수소 생성률 61% 향상
[이투뉴스] 국내 연구팀이 나노입자 조성을 최적화해 더 많은 산소와 수소를 발생시키는 촉매 생산기술을 개발했다. 이를 통해 수전해 방식으로 수소를 생산할 때 더 적은 에너지를 사용하는 것은 물론 내구성까지 끌어 올렸다.
에너지기술연구원(원장 김종남) 플랫폼연구실 김병현 박사와 경북대학교 김명진 교수, 미국 조지아텍 이승우 교수 공동연구팀은 저렴한 그린수소 생산의 핵심인 고성능·고내구성 수전해 촉매 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.
수전해방식은 온실가스를 배출하지 않고 수소를 생산할 수 있지만 높은 전력비용이 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이 때문에 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있는 고성능 촉매개발이 요구된다.
연구팀은 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원 온도가 서로 다르다는 것에 착안해 정밀한 온도 제어를 통해 금속나노입자의 조성을 최적화하는 방법을 찾았다. 이를 이용해 500℃의 환원 온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를, 550℃의 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생산해 서로 다른 조성을 갖는 금속나노입자-금속산화물 촉매를 설계했다.
연구팀은 니켈-금속산화물과 니켈루테늄-금속산화물 촉매로 수전해장치의 양극과 음극에 적용했다. 그 결과 기존 이리듐-백금 촉매와 비교해 61% 향상된 수소 생성률을 달성했다. 이 촉매는 30시간의 장기 구동에서도 98% 이상의 성능을 유지해 높은 내구성을 갖는 것을 확인했다.
연구진은 다양한 전기화학적 분석 결과 금속나노입자-금속산화물의 시너지로 촉매 성능이 향상됐다고 규명했다.
수전해 장치에서 산소발생이 잘 일어나기 위해서는 금속산화물의 높은 전하 이동 특성이 중요하다. 니켈-금속산화물 촉매는 환원 온도를 조절해 나노입자를 형성하는 과정에서 산소 빈자리 결함이 생기면서 전하 이동을 향상시킨다고 연구진은 설명했다. 이외에도 니켈-금속산화물 촉매의 니켈나노입자가 산소 발생 반응에 효과적인 니켈옥시하이드록사이드(NiOOH)로 쉽게 변환될 수 있음을 확인했다.
김병현 박사는 “계산과학을 바탕으로 수전해 촉매의 성능을 높일 방법을 찾고, 새로운 촉매를 디자인했다"며 "실험 관찰이 어려운 나노촉매분야에서 전기화학 반응을 높이고, 금속산화물에 광범위하게 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 수소에너지혁신기술개발사업 내 ‘알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단’ 과제 중 하나로 수행했다.
진경남 기자 jin07@e2news.com