루테늄 촉매로 수소 저렴하게 만든다

류정기 UNIST 교수·서동화 KAIST 교수 공동 연구진
루테늄 기반 수전해 촉매 개발

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발한 수소 생산용 수전해 촉매의 현미경 사진(왼쪽). 루테늄(가운데 사진·초록색)을 기반으로 실리콘(주황색)과 텅스텐(파란색)이 결합하게 했다. 촉매 반응을 높이는 도펀트 구조가 형성돼 효율과 안정성을 높였다./울산과학기술원

국내 연구진이 수소 생산에 필요한 촉매의 가격을 낮추면서도 효율을 높일 기술을 개발했다. 수소는 사용 과정에서 물과 산소 이외의 오염물질이 배출되지 않는 친환경 에너지원이지만 생산 과정에서 온실가스가 나오는 문제가 있다. 이번에 개발한 촉매를 활용하면 수소 경제 구현에 도움이 될 것이라는 기대가 나온다.

류정기 울산과학기술원 에너지화학공학과 교수가 이끄는 연구진은 서동화 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수와 공동으로 높은 효율과 안정성으로 친환경 에너지인 수소를 만들 수 있는 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

친환경 에너지로 주목받는 수소는 생산 방법에 따라 다양한 이름으로 불린다. 현재 생산되는 수소의 96%가량은 화석연료에서 만들어진다. 이런 ‘그레이수소’는 천연가스에 포함된 메탄을 분해해 만들어지는 데 이 과정에서 이산화탄소를 대량으로 배출하는 단점이 있다. ‘블루수소’는 그레이수소와 같은 과정을 거치면서 이산화탄소를 포집해 배출량을 줄인 방식으로 생산한다.

생산 과정에서 온실가스 배출이 전혀 없는 ‘그린수소’는 태양광, 풍력 같은 신재생에너지를 이용해 만들어진다. 촉매를 이용해 물을 분해하는 ‘수전해’ 방식으로 궁극적인 친환경 수소 에너지원으로 주목받고 있다. 다만 촉매의 효율이 낮고 백금, 이리듐처럼 비싼 귀금속을 재료로 사용해야 한다는 문제가 있다.

연구진은 상대적으로 저렴하면서도 구조 안정성이 높은 루테늄을 이용한 촉매 기술을 개발했다. 루테늄은 백금, 이리듐보다 가격이 13~25% 저렴하면서도 생산 과정에서 온실가스 배출량이 적어 친환경 금속으로 꼽힌다. 다만 촉매 효율이 낮아 상용화에는 어려움이 있었다.

연구진은 루테늄을 실리콘, 텅스텐과 섞어 촉매를 만들었다. 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘이 결합한 구조로 촉매 표면의 결합력을 높여 반응성도 강화했다. 5~10㎜의 텅스텍 막도 씌워 산성 환경에서 촉매가 손상되는 것도 막았다.

안정성을 검증하기 위한 실험에서도 기존 촉매보다 외부 환경에 강한 것으로 나타났다. 산성도(pH) 0.3의 높은 산성 환경에서 10㎃의 전류를 흘렸을 때도 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 온실가스 배출량도 기존 촉매의 25% 수준으로 낮은 것으로 나타났다.

류 교수는 “기존의 값비싼 백금, 이리듐을 동시에 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “부식성이 강한 산성에서도 장시간 안정적이고 쉽게 합성 가능해 고순도 그린수소 생산 시스템인 양성자교환막(PEM) 전해조에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난 4일 소개됐다.

참고자료

Advanced Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202304468

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