수소 생산 ‘촉매’ 수명 높인다…다공성 탄소전극 개발

- 인천대, 경희대, 서울대 공동연구팀

단일 열분해 공정을 통해 형성한 질소 도핑된 탄소 매트릭스와 이리듐-루테늄 나노 촉매.[인천대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 수소 생산 가격 경쟁력과 에너지 효율을 높일 수 있는 다공성 탄소 기반 전극 기술을 개발했다.

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

물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해 기술의 효율과 내구성은 산소 발생 반응에 사용되는 소재에 의해 크게 영향을 받는다.

수전해 기술에서 수소 생성 반응과 짝을 이루는 산소 발생 반응은 혹독한 산화 환경에서 일어나기 때문에 탄소와 같은 지지체를 사용할 경우, 지지체 자체의 산화에 의하여 촉매의 내구성이 떨어지는 문제가 있다.

가장 우수한 소재로 꼽히는 타이타늄 펠트 역시 상대적으로 작은 표면적과 낮은 촉매 활용률, 그리고 높은 전기적 저항으로 인해 수전해 시스템의 효율을 저해시킨다는 한계가 있다.

연구팀은 주류였던 탄소를 배제하는 연구 방법과는 반대로 과량의 질소가 도핑된 탄소를 사용하여, 탄소의 소실에도 촉매의 활성과 내구성을 확보할 수 있는 방법을 제시했다.

산화에 강한 질소가 도핑된 탄소층을 형성하고 이리듐-루테늄 나노입자 촉매를 탄소층에 내장시키는 방법을 적용, 탄소 기반 전극의 특성을 향상시켜 탄소가 용해되는 영향을 최소화하는 동시에 나노입자 촉매의 활성을 증가시켰다.

열분해 시 형성된 지지체의 크랙은 산소의 전달을 용이하게 해 수전해 시스템의 성능을 향상시켰고, 질소가 도핑된 탄소 지지체와 이리듐-루테늄 나노 촉매를 감싸고 있는 탄소 껍질은 우수한 내구성을 확보하는 데 기여했다.

이번 연구에서 개발한 질소가 도핑된 탄소 지지체는 수전해 뿐만 아니라, 기체 발생을 수반하거나 기체를 반응물로 사용하는 전기화학 시스템에 적용이 가능하다. 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 효율 및 시스템의 수명을 늘리는데 기여할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료공학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 3월 28일 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com