IBS, 낮은 전압에서도 그린수소 생산 가능해져

기사내용 요약
단일금속원자 초고중량 탑재 가능 '전기분해 촉매' 개발
고전압 수전해 방법 대비 16% 에너지 절약

[대전=뉴시스] 변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 낮은 전압에서 그린수소를 생산할 수 있는 고성능 요소 전기분해 촉매기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 이효영 부연구단장이 단일금속원자를 다량 탑재해 요소산화 반응을 앞당길 수 있는 고성능 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

낮은 전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린수소 생산에 새로운 방향을 제시한 것으로 평가받는 이번 연구결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 '에너지 & 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF 38.532)' 온라인판에 지난달 30일 게재됐다. (논문명:Discovering Ultrahigh-Loading of Single-Metal-Atom via Surface Tensile-Strain for Unprecedented Urea Electrolysis.)

이산화탄소 배출없이 추출 가능한 그린수소 생산기술은 물 전기 분해 방법이 유일하지만 느린 산소발생 반응으로 매우 높은 전압이 필요해 효율성이 낮다.

이에 낮은 전압에서도 수소생산이 가능한 암모니아 또는 요소산화 반응에 대한 연구가 활발하다.

요소산화반응의 속도를 높이는 촉매로 귀금속 기반 백금(Pt)이나 로듐(Rh) 금속 촉매가 쓰이지만 이들은 매우 비싸고 장기간 작동 시 촉매 성능 및 안정성이 좋지 않다.

이에 최근 나노물질 기반 촉매에 비해 탁월한 활성반응을 나타내는 단일 원자 촉매가 주목받고 있으나 쉽게 이동해 응집되는 경향이 있어 많은 양의 단일 원자들을 탑재하기가 어렵다는 문제가 있다.

[대전=뉴시스] 요소 전기 분해를 통한 수소 생산. *재판매 및 DB 금지

이번에 IBS 연구진은 단일 금속 원자의 초고중량 탑재 및 안정화를 위해 액체 질소 담금질 방법을 사용, 산화 코발트(Co3O4) 표면에 변형을 생성시켰다.

급하게 냉각된 산화물 지지체 표면은 열팽창으로 인해 변형이 발생하며 이런 표면에는 로듐 단일 원자를 기존 중량대비 2배 더 많이 올려 안정화할 수 있다.

또 연구진은 변형된 표면이 기존 표면에 비해 로듐의 이동 에너지 장벽을 크게 증가시켜 이동 및 응집을 억제할 수 있다는 사실도 확인했으며 이어 로듐뿐만 아니라 백금, 이리듐 및 루테늄 기반 단일 원자들도 변형된 표면에서 고중량 탑재가 가능하다는 사실도 발견했다.

요소산화 반응에 필요한 작동 전압으로 촉매 효율 평가 결과, 상용화전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생되고 구조의 변화없이 100시간 동안 장기간 안정성을 보였다.

특히 높은 전압으로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방법에 비해 약 16%의 에너지를 절약되는게 확인됐다.

IBS이효영 부연구단장은 "고효율 요소 산화 전기 촉매를 통해 단일 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 고중량 탑재 및 안정화를 해결했다"면서 "고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방식으로 생산이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

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