국내 연구진이 이론상 필요한 최소한의 전기 에너지만으로 물을 분해해 수소를 생산하는 새로운 촉매를 개발했다. 이 촉매는 현재 수소 생산에 사용하는 백금 기반 촉매보다 효율이 높고 내구성이 높아 산업적 활용도가 높다.
30일 울산과학기술원에 따르면 김광수 자연과학부 화학과 특훈교수가 이끄는 국내 연구팀은 최근 슈퍼컴퓨터를 활용해 백금 촉매보다 뛰어난 물 분해 전극 촉매물질을 만드는데 성공했다.
이번에 개발된 촉매의 가장 큰 특징은 이론상 필요한 촉매 활성도에 가장 근접한 값을 구현했다는 점이다. 슈퍼컴퓨터의 이론적 계산 결과 ‘루테늄(Ru)’ 원자 1개는 평면상에서 ‘질소(N)’ 원자 2개와 ‘탄소(C)’ 원자 2개를 이웃으로 둘 때(Ru-N₂C₂) 촉매 활성도가 높아진다.
연구팀은 이러한 점을 활용해 질소를 첨가한 그래핀에 ‘루테늄(Ru)’ 단일원자와 질화된 루테늄 나노입자들이 혼성된 새로운 촉매를 만들었다. 또 공 모양의 탄소구조체가 루테늄 기반 촉매를 감싼 형태로 안정성도 더했다.
실제 과전압 실험 결과, 이 루테늄 기반 촉매는 기존 백금 촉매보다 효율이 높았다. 과전압은 전기로 물을 분해하는 과정에서 이론적으로 주어지는 분해전압과 실제 전극간 주어지는 전압간의 차이다. 이 과전압이 작을수록 이론값에 근접하다.
루테늄 기반 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7 ㎷의 과전압을 기록했다. 이는 루테늄이 수소 흡-탈착 시 필요한 에너지가 ‘0’에 가깝고 전기 전도가 빠르게 일어나도록 구조를 설계했기 때문이다.
또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 ‘패러데이 효율’이 100%에 가까워 최소한의 전기 에너지로 수소 생산이 가능한 것으로 나타났다. 루테늄 기반 촉매는 산(0.1M-HClO4)성 매질에서 1.50V, 염기(1M-KOH)성 매질에서 1.40 V 전압으로 수소를 생산했다. 산업용으로 쓸 수 있는 수치다.
이에 따라 루테늄 기반 촉매는 상업적으로 사용되는 비싼 백금 기반의 촉매를 대신해 실제 수소 연료 생산에 사용될 수 있을 것으로 보인다. 산도에 영향을 덜 받는 만큼 액체 추진 로켓, 자동차, 보트 및 항공기의 어플리케이션, 휴대형 또는 고정식 연료 전지 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
김광수 교수는 "새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다"며 "액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소발생반응을 촉진하는 촉매로 사용 가능할 것" 이라고 밝혔다.
한편 이 연구는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’의 7월호 표지로 실렸다.