국내 연구팀, 수소 생산 가격·효율 높일 '다공성 탄소 전극' 개발

질소 도핑 탄소 소재 이용…귀금속 촉매 수전해 특성 향상탄소 껍질로 우수한 내구성 확보까지

단일 열분해 공정을 통해 형성한 질소 도핑된 탄소 매트릭스(N-doped carbon matrix)와 이리듐-루테늄 나노 촉매 및 장점

[이데일리 함정선 기자] 국내 연구진이 수소 생산의 가격 경쟁력과 에너지 효율을 높일 수 있는 ‘다공성 탄소 기반 전극’을 개발했다.

한국연구재단은 권오중 교수(인천대학교), 김명준 교수(경희대학교), 성영은 교수(서울대학교) 연구팀이 고분자 전해질 수전해 기술에 활용할 수 있는 질소가 도핑된 다공성 탄소 전극을 개발해 나노입자 촉매의 내구성을 향상했다고 1일 밝혔다.

물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 기술의 효율과 내구성은 산소 발생 반응에 사용하는 소재에 의해 크게 영향을 받는다. 수전해 기술에서 수소 생성 반응과 짝을 이루는 산소 발생 반응은 산화 환경에서 일어나기 때문에 탄소와 같은 지지체를 사용할 경우, 지지체 자체의 산화에 의해 촉매의 내구성이 떨어지는 문제가 있다.

가장 우수한 소재로 꼽히는 ‘타이타늄 펠트’ 역시 상대적으로 작은 표면적과 낮은 촉매 활용률, 그리고 높은 전기 저항으로 수전해 시스템의 효율을 저해한다는 점이 한계로 지적되고 있다.

이에 연구팀은 주류였던 탄소를 배제하는 연구 방법과는 반대로 과량의 질소가 도핑된 탄소를 사용해 탄소의 소실에도 촉매의 활성과 내구성을 확보할 방법을 제시했다.

연구팀은 산화에 강한 질소가 도핑된 탄소층을 형성하고 ‘이리듐-루테늄’ 나노입자 촉매를 탄소층에 내장하는 방법을 적용, 탄소 기반 전극의 특성을 향상해 탄소가 용해되는 영향을 최소화하는 동시에 나노입자 촉매의 활성을 증가했다고 설명했다.

열분해 시 형성된 지지체의 크랙은 산소를 쉽게 전달하기 때문에 수전해 시스템의 성능 향상에 도움을 주며, 질소가 도핑된 탄소 지지체와 이리듐-루테늄 나노 촉매를 감싸고 있는 탄소 껍질은 우수한 내구성을 확보하는 데 기여했다는 평가다.

이번 연구에서 개발한 질소가 도핑된 탄소 지지체는 수전해 뿐만 아니라, 기체 발생을 수반하거나 기체를 반응물로 사용하는 전기화학 시스템에 적용할 수 있다. 향후 이산화탄소 환원 반응을 포함한 여러 전기화학 촉매 반응에 적용할 예정이다.

권오중 교수는 “이번 연구로 향후 고분자 전해질 수전해 방법을 이용한 수소 생산 공정의 에너지 효율과 시스템의 수명을 늘리는데 기여할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구지원 사업(중견연구, 우수신진연구)의 지원으로 수행됐으며 재료공학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 3월 28일 게재됐다.

함정선 (mint@edaily.co.kr)