"고가 귀금속촉매 완벽 대체" '수소' 생산단가 확 낮춘다

- GIST, 전도성 탄소 도입 망간 기반 촉매 개발

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 물을 전기분해해 고순도의 ‘수소’를 생산(수전해)하는 비용을 낮출 수 있는 망간 기반의 새로운 촉매를 개발했다.

기존 값비싼 귀금속 촉매를 대체할 경우 친환경 수소를 저비용으로 생산할 수 있어 수소 시대를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

‘수전해’ 방식은 온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 수소 생산 방법이지만, 고가의 전력비용이 실용화의 걸림돌이 되고 있다. 특히 이리듐, 루테늄과 같은 귀금속은 산소발생 반응을 일으키기 위한 우수한 촉매로 수전해에 주로 사용되고 있지만, 가격이 비싸다는 단점이 있다.

수소를 보다 폭넓고 다양하게 활용하기 위해서는 생산단가를 대폭 낮춰야 하며, 따라서 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있는 고성능 촉매 개발이 요구된다.

광주과학기술원(GIST) 지구‧환경공학부 이재영 교수 연구팀은 인하대학교 화학공학과 이기영 교수 연구팀과 공동으로 전도성 탄소와 혼합된 망간 기반 촉매를 활용해 촉매의 전기 전도도를 조절함으로써 수전해 성능을 향상시키는 데 성공했다.

망간 기반의 금속 산화물은 자연계에 존재하는 대표적인 물분해 반응 촉매로, 구조적인 다양성, 풍부한 매장량, 무독성 등의 특징을 지녀 수전해 촉매로 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

기존 망간 산화물은 일반적으로는 전기전도성이 낮고 특정 구조에서만 산소발생 반응이 잘 일어난다고 알려져 있는데, 이 특정 구조의 형성을 위해서는 산소발생 반응 중 망간 산화물의 완전한 산화가 필수적이며 이를 위해서는 충분한 전기전도성이 필요하다.

전도성 탄소 도입을 통해 δ-MnO2를 형성하고 활성화 과전압을 극복한다는 의미의 개념도.[GIST 제공]

연구진은 전기전도성 확보를 위해 흑연화된 전도성 탄소를 촉매층에 도입하고, 반복적인 전기화학적 활성법으로 촉매층의 산소발생 반응 성능을 향상시켰다.

그 결과 산소발생 반응 활성이 15배 이상 증대되었고, 개발된 촉매의 상업적인 활용 가능성을 판단하기 위해 제3세대 음이온 교환막 수전해법에 적용했을 때 기존 촉매 대비 400% 높은 전류밀도에서 수소 생산이 가능한 것을 확인했다.

이재영 교수는 “저렴한 망간 산화물을 활용하여 촉매 활성점을 증대시켜 수전해 성능을 향상시킬 수 있는 촉매를 개발할 수 있었다”면서 “특히 최근 니켈의 가격상승으로 인해 대체 전이금속 기반의 전극촉매 개발이 시급한 상황에서 이번 연구성과의 의미가 크다”고 강조했다.

이번 연구결과는 응용화학 분야 국제학술지 ‘에너지 화학’ 4월 25일 온라인 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com