코발트 금속을 3층으로 쌓아올려 만든 촉매로 물을 전기분해할 때 나오는 수소 생산량을 늘리는 기술이 개발됐다.
이재영 광주과학기술원(GIST) 지구 및 환경공학부 교수와 조강우 포스텍 환경공학부 교수 연구팀은 돌에 달라붙은 따개비처럼 구멍이 숭숭 나 표면적을 넓힌 3층 코발트 촉매를 개발해 수소 생산량을 13% 늘리는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
온실가스의 주성분인 이산화탄소를 배출하는 화석연료 대신 수소를 에너지원으로 사용하는 기술이 주목받고 있다. 그러나 현재 생산되는 수소 중 97% 는 화석연료를 태워 생산돼 청정에너지로 부르기 어렵다. 물 분자(H₂O)에 전류를 흘려 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해해 수소를 생산하는 ‘수전해 기술’은 전력 생산 과정이 청정하다면 친환경 수소 생산법으로 꼽힌다.
물을 전기분해하면 산소발생반응과 수소발생반응이 동시에 일어나는데 전체 반응이 속도가 비교적 느린 산소발생반응에 맞춰 진행된다. 산소발생반응이 느려질수록 수소 생산 속도도 느려지기 때문에 산소반응발생의 속도를 올려주는 촉매를 사용한다. 백금이나 이리듐 등 귀금속 촉매를 사용하는데 가격이 비싸고 안전성이 떨어진다는 단점이 있다. 코발트 금속 촉매가 개발됐지만 귀금속 촉매보다 반응이 느리다는 한계가 있었다.
연구팀은 코발트로 이산화타이타늄(TiO2)의 결정 구조를 구현하고 3층으로 쌓아올렸다. 촉매 반응은 반응물이 촉매 표면에 노출된 원자인 활성점에 붙어 반응한다. 이산화타이타늄 결정 구조는 촉매 활성점을 늘리는 역할을 한다. 함가현 GIST 지구 및 환경공학부 박사과정생은 “코발트 촉매는 원래 비활성화한 점이 있는데 전압이 가해지면 활성점으로 바뀐다”며 “이산화타이타늄 구조는 비활성화점이 활성점으로 바뀌는 과정이 코발트보다 잘 일어난다”고 설명했다.
개발한 촉매는 3층 구조에 중간중간 구멍이 나 있는 형태다. 촉매를 사용해서 수전해 과정을 실험한 결과 산소발생반응 과정에서 촉매의 활성점이 늘어나는 것을 확인했다. 같은 전력으로 기존 코발트 기반 촉매를 사용했을 때보다 13% 더 많은 수소를 생산할 수 있는 것으로 나타났다.
이 교수는 “3층 따개비 모양의 새로운 촉매 구조를 제안하고 반응기작을 규명함으로써 고효율 산소발생반응용 촉매 구조 후보군을 넓혔다”며 “이는 저에너지 및 친환경 수소 생산의 길을 앞당겨 수소경제에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
연구결과는 이달 4일 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 에너지 레터스’에 발표했다.