“수소생산 단가 확 낮춘다” 저비용·고성능 ‘전기촉매’ 나왔다

- 성균관대·충남대 공동연구, 2000시간 구동에도 성능 저하 없어

이번 연구성과가 게재된 국제학술지 '스몰' 표지.[성균관대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 전이금속 기반 소재를 활용해 그린수소 생산이 가능한 전기촉매 소재 합성에 성공했다.

한국연구재단은 성균관대학교 김정규, 이준영 교수와 충남대학교 신혜영 교수 공동 연구팀이 협력하여 신규 2차원 소재인 멕센(MXene) 표면에 니켈인화물(Ni2P) 나노입자를 성장시킨 이종접합 소재를 설계, 수소 발생 반응이 가능한 하이브리드 전기촉매를 개발했다고 밝혔다.

멕센이란 전이금속과 비금속으로 이루어진 2차원 형태의 무기화합물 소재를 말한다.

탄소배출 없는 친환경 그린수소 생산을 위해서는 전기화학적 물 분해반응을 활성화하는 저비용·고성능의 전기촉매 소재 기술이 필요하다.

기존 수소 발생 반응에는 활성이 우수한 귀금속 기반 촉매가 사용됐지만, 높은 가격이 산업화의 걸림돌로 작용했다. 그 대안으로 전이금속 기반 촉매 개발이 추진되고 있지만, 낮은 촉매 활성과 낮은 안정성이 한계로 지적됐다.

연구팀은 전기 전도도가 높고 전기화학적 안정성이 뛰어난 2차원 물질인 멕센 표면에 의도적인 결함을 일으키고, 그 위에 촉매 소재인 니켈인화물을 이종핵 성장시키는 방법으로 수소 발생 성능이 우수한 금속인화물-멕센 하이브리드 수전해 촉매 소재를 합성했다.

또한 새로운 촉매 소재가 약 2000여회 반복 측정과 24시간 연속 구동에도 높은 안정성을 나타냄을 확인했다. 특히 산성과 중성, 알칼리 조건에서 모두 우수한 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 보였다.

계면 스트레인이 유도된 니켈인화물-멕센 하이브리드 촉매 소재 및 수소발생 구동 모식도.[성균관대학교 제공]

연구팀은 시뮬레이션을 통해 니켈인화물 표면의 스트레인(strain)이 니켈인화물의 결합 길이를 변화시키고, 반응 중간 생성물의 흡착 에너지 변화를 촉진하여 고활성의 수소 발생 반응 촉매 활성을 효과적으로 유도함을 확인했다.

이번 연구 성과는 물을 전기분해하여 탄소배출 없이 그린수소를 생산하는 미래에너지 기술을 제시한 것으로, 멕센의 가공법에 따라 기존 촉매 소재의 단점을 극복한 고활성·고안정성 촉매 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.

연구팀은 “전기화학 반응에 활용 가능한 다기능 촉매 소재 개발을 위해 멕센 소재의 조성을 다양하게 탐구하고 표면 작용기를 조절하는 등의 지속적인 연구가 필요하다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 및 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 표지논문으로 선정돼 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com