[생활속 과학이야기] 수소 시대를 위한 귀금속의 순환

정인철 한국지질자원연구원 선임연구원

에너지를 생산하기 위해서는 다양한 전기화학적인 변환이 필요하다. 수소를 활용하기 위해서 가장 널리 사용되는 방식은 천연가스 개질이다. 메탄과 물을 반응시켜 일산화탄소와 수소로 변환하며, 경제성이 높고 대규모로 적용 가능하다는 장점이 있다. 하지만 탄소가 배출돼 친환경적인 수소 생산 방식과는 거리가 멀다.

최근에 각광받고 있는 수소 생산 방식 중 하나는 수전해 방식이다. 물을 전기 분해해 수소와 산소로 변환시키며, 수소 생산 과정에서 탄소가 배출되지 않아 그린 수소 생산 방식에 해당한다. 전기화학적인 변환 과정이 반대로 적용되면, 수소와 산소를 활용해 친환경적으로 전기를 생산하는 연료전지가 된다. 이때, 수소 생산 및 활용에 가장 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 촉매이다.

촉매는 화학적인 변환에서 자신은 소모되지 않으면서 반응 속도를 증가시키는 물질을 말한다. 즉, 촉매는 해당 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응이 더 빨리 진행되도록 돕지만, 반응이 끝나도 본래의 상태로 남아 있다.

백금은 이러한 촉매로써 유명한 원소 중 하나로 알려져 있다. 신용카드, 상품, 요금제 등에서 높은 등급임을 상업적으로 어필할 때 사용되는 '플래티넘'의 한국말이 바로 백금이다. 백금은 철과 같은 금속과는 다르게 공기 중에서 산화되지 않으며, 산이나 알칼리성 환경에서도 잘 부식되지 않는 고도의 화학적인 안정성을 보인다. 그러면서 높은 전기전도성을 띠고 있다. 또한 연성이 있어 가공이 용이해, 잘 알려진 고급 장신구 제작뿐만 아니라 석유 정제 공정, 자동차 배출 가스 정화 장치 등 광역적인 산업 분야에서도 사용되고 있다.

이러한 백금과 유사한 특성을 가지는 금속들을 백금족 원소라고 부르며, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금이 포함된다. 위 원소들은 대표적인 전이 금속으로 높은 희소성을 띠고 있다. 90 % 이상이 남아프리카공화국에 매장돼 있으며, 나머지는 러시아, 짐바브웨, 미국, 캐나다 등지에 분포돼 있다고 알려져 있다.

광산에서 생산되는 백금족 원소의 양은 적지만, 수소 생산의 증대 및 개발도상국들의 성장에 따라 백금족 금속에 대한 수요가 급등할 것으로 전망되고 있다. 그러므로 우리나라의 관련 산업 분야에 백금족 공급을 원활히 하기 위해서 앞서 산업에 보급됐던 촉매들을 재활용해 고순도의 백금족 전구체를 확보하는 기술은 필수적이다.

산업통상자원부에서 지원하는 소재부품기술개발(R&D) 패키지형 사업을 통해 한국지질자원연구원(KIGAM)은 과제명 '팔라듐·백금 순환자원 활용 3N급 화합물 및 산소환원활성 0.14 A/mg급 연료전지용 촉매 제조 기술 개발' 연구에 참여하고 있다.

기존의 백금족 원소들을 재활용하기 위해서 사용했던 방법은 고농도의 염산을 기반의 공정으로 다량의 화학약품을 사용할 뿐만 아니라 농축을 위해서 고에너지 소모 기술이 활용되고 있다. 본 연구에서 KIGAM의 역할은 유기산과 무기산을 사용해 환경 저해를 저감할 수 있는 백금족 침출 기술과 저에너지 농축을 통해서 고속 전해 기술을 개발하는 것이다. 또한 고순도의 백금족 원소 전구체를 바탕으로 높은 전기전도성의 촉매 소재 개발을 목표로 하고 있다.

다양한 산업에 필수적인 백금족 원소들의 자급 비율을 높여 자원 고갈 및 자원 무기화의 위협으로부터 벗어나고 수소 시대를 앞당기는 데 기여할 수 있기를 기대한다. 정인철 한국지질자원연구원 자원소재연구센터 선임연구원