[기계신문] 신재생에너지인 수소연료는 현재 사용되는 화석연료를 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있다. 다양한 수소 생산 방법 중 지구상에 풍부한 물을 전기분해하여 수소를 얻는 수전해 방식은 친환경적이고 고순도 수소를 생산할 수 있다는 장점이 있다.
수전해를 통한 수소 생산을 위해서는 높은 과전압을 낮추기 위한 촉매를 필요로 한다. 현재 가장 잘 알려진 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 등 귀금속 기반 물질인데, 이들은 원료의 희소성에 따른 고비용으로 인해 실제 대용량 수소 생산에 적용되기는 힘들어 수전해를 통한 수소 생산의 산업화에 어려움이 있다.
또한 수소발생반응과 산소발생반응 영역에서 서로 다른 촉매 사용은 경제성 측면에서 비효율적이다. 따라서 탈귀금속 기반의 저렴하며 수소발생반응과 산소발생반응이 동시에 가능한 양기능성 수전해 촉매 개발이 필요하다.
탈귀금속 기반 양기능성 수전해 촉매로 전이금속 기반의 칼코겐 화합물, 인 화합물, 탄소 화합물, 수산화물 등이 각광받고 있다. 이 중 전이금속 기반 칼코겐 화합물은 내부 구조에 기인한 높은 수소발생반응 촉매 활성도를 보일 뿐만 아니라 높은 산소발생반응의 특성을 보여 양기능성 촉매로 사용될 수 있다.
이에 입자 구조의 고도화, 입자 내 조성 변화 등 다양한 방법을 통해 고활성, 고안정성, 양기능성 수전해 촉매특성을 나타내는 전이금속 기반 칼코겐 화합물 개발이 많이 이루어지고 있는 가운데, 청정에너지 수소연료를 저렴하게 고순도로 생산할 수 있는 촉매가 개발되어 눈길을 끈다.
고려대 건축사회환경공학부 김동완 교수 연구팀은 귀금속이 아닌, 자연계에 풍부한 원소인 코발트 및 황을 이용해 물을 전기분해하여 수소와 산소를 각각 생산할 수 있는 양기능성 촉매를 개발했다고 밝혔다. 촉매의 경우 구조적 및 조성적 변화를 통해 촉매의 활성도 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 아이디어를 착안하였다.
구체적으로, 양이온 및 음이온이 각각 니켈(Ni)과 인(P)으로 동시 치환된 삼차원 구조의 코발트-황(CoS₂) 기반 화합물을 개발하고 이를 수소·산소 생산용 양기능성 수전해 촉매에 적용하였다. 나노시트가 자가 조립된 삼차원 구조를 통해 촉매의 실질 반응 표면적을 비약적으로 넓힐 수 있었다. 또한 코발트-황 화합물을 니켈, 인의 이종 원소로 동시 치환하여 촉매의 활성도 및 안정성이 향상됨을 확인하였다.
이를 위해, 삼차원 구조의 코발트/니켈-수화물과 그래핀이 결합된 전구체를 우선 합성한다. 일반적으로 복잡한 구조체 합성 시에는 여러 첨가제를 넣어야 하는데 반해, 연구팀은 코발트/니켈 아세테이트, 암모니아수의 간단한 원료만을 사용하여 수용액 상에서 나노시트가 자가 조립된 삼차원 구조의 코발트/니켈-수화물 전구체를 제조할 수 있었다. 이어 황, 인과 차례대로 반응시켜 최종 화합물을 얻을 수 있었다.
제조된 촉매는 수소 및 산소 발생 반응 모두 높은 활성을 보였고, 50시간 이상 측정해도 특성이 변치 않는 우수한 안정성을 나타냈다.
김동완 교수는 “이 연구는 코발트, 황 등 저가의 원료를 사용하여 손쉬운 공정을 통해 고활성 양기능성 물전기분해 촉매를 개발한 것”이라며 ”향후 이를 적용한 대용량 수소원료 생산 산업화에 기여할 것으로 기대된다“고 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials) 10월 8일 온라인 게재되었다.