우주형 소재 보론 나이트라이드 나노튜브, 달에서 물 분해로 수소생산

가천대 화학과 벤카트 박사와 김명종 교수.[가천대 제공]

[헤럴드경제(성남)=박정규 기자]우주 방사선을 차폐할 수 있는 보론 나이트라이드 나노튜브(BNNT)와 팔라디움(Pd)을 복합해 달 표면에 존재하는 물(얼음)을 전기분해하여 수소를 생산할 수 있는 신촉매 기술이 개발됐다.

전세계적으로 우주개발이 가속화되고 있는 가운데 보론 나이트라이드 나노튜브는 중성자 차폐성, 내산화 안정성, 고강도, 경량의 우주형 소재로 미국의 NASA와 UC 버클리, 캐나다의 NRC 연구소, 한국의 KIST에서 연구되고 있으나 시장성이 높은 에너지 기술 관련 연구는 아직 초보적인 수준이다.

가천대 화학과 김명종 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 소속 연구원들과 공동연구를 통해 정이십면체의 팔라디움 나노입자와 보론 나이트라이드 나노튜브를 복합, 물의 전기분해로 수소를 생산하는 상용 백금 촉매의 수준을 넘어서는 신촉매를 개발했다. 이 촉매는 보론 나이트라이드의 화학적 안정성으로 40,000 싸이클의 실험 후에도 동일한 효과를 가지며 촉매효율(Faradaic Efficiency)도 98.96%로 높다.

달에 얼음의 형태로 물이 존재한다는 사실을 고려할 때, 이번에 개발된 촉매로 물을 전기 분해하여 수소 연료를 생산한다는 것은 인류의 달 거주를 가능하게 하는 우주 에너지 기술로의 확장을 의미한다.

연구 모식도.[가천대 제공]

보론 나이트라이드 나노튜브(BNNT)는 탄소원자들이 벌집 모양으로 연결되어 튜브 구조로 되어 있는 탄소나노튜브에서 탄소 대신 붕소(보론)와 질소(나이트로젠)를 채워 넣은 형태로 육안으로는 하얗게 보인다. 보론 나이트라이드 나노튜브 자체로는 촉매성이 없으나 표면의 결함(vacancy defect)이 팔라디움 나노입자와 결합 될 때 전하의 이동으로 인해 팔라디움의 촉매성이 향상되어 상용화된 백금 촉매보다 낮은 과전압(overpotential)을 가지게 된다.

현재 선진국을 중심으로 인류의 마지막 블루오션인 우주개발을 위해 단순한 탐험을 넘어서 필수적인 자원채취 및 사업화를 목표로 우주개발에 박차를 가하고 있는 상황에서 방사선을 차폐할 수 있는 보론 나이트라이드 나노튜브는 우주환경이 요구하는 화학적 안정성, 높은 열전도도, 고강도, 경량 특성을 갖고 있어 우주선 및 우주복의 각종 부품의 원료로 사용될 수 있는 우주형 소재로 부각되고 있다. 지구는 자기장이 있어서 방사선을 막을 수 있지만 달에는 지구와 같은 자기장이 없어 인체와 전자기기가 방사선 노출에 취약하기 때문이다.

이 연구는 방위사업청 (관리기관: 국방기술진흥연구소) 지원으로 국방특화연구실 사업 (한국과학기술연구원 주관), 한국연구재단 중견과제, 산업통상자원부의 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제 저명 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ (IF : 22.1, IF% 상위 0.9%) 5월호에 게재됐다. 제1저자는 가천대학교 화학과 사다 벤카테스왈루 박사(Dr.Venkateswarlu Sada)와 한국과학기술연구원 김수연 박사, 교신저자는 가천대 화학과 김명종 교수와 한국과학기술연구원 한상수 책임연구원이다.

fob140@heraldcorp.com