[기계신문] 탄화수소에 기반한 석탄이나 석유 같은 에너지 자원은 근본적으로 매장량의 한계를 가진다. 또 부산물로 이산화탄소를 만들어내 지구온난화와 같은 환경적 문제를 야기하고 있다. 이에 따라 국제적·국가적으로 탄화수소 자원을 규제하고 차세대 에너지원에 대한 투자 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이에 재생 가능한 친환경에 에너지원으로 수소가 각광 받고 있으며, 이 수소를 만들기 위한 방법 중 전기 화학적인 수소 발생 반응으로 수소를 추출하는 방법이 있다. 일반적으로 수소 발생 반응의 전극 촉매로 쓰이는 백금(Pt) 기반의 촉매는 고가이며 매장량 등의 문제로 이를 대체할 우수한 활성을 가지면서 내구성이 뛰어난 전극 촉매 물질 개발에 다양한 연구가 이뤄지고 있다.
울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수가 이끄는 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다. 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함자리에 ‘루테늄(Ru) 단일원자’와 ‘질화된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’들이 혼성된 새로운 촉매이다.
현재 백금 기반 촉매는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 가장 효율적인 촉매다. 하지만 백금은 고가이고 희귀한 물질이기 때문에, 이를 대체하면서 상업적으로 활용 가능한 물질이 꾸준히 개발되고 있다. 그러나 지금까지 보고된 촉매의 효율은 백금과 비슷한 수준인 데다, 산성이나 염기성 매질 중 한쪽에서 성능이 저하되거나 내구성이 낮아졌다.
연구팀은 수소발생반응을 활성화시키는 능력이 탁월하면서도, 산성과 염기성 용액 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아낸 덕분이다. 또 구(球) 모양의 탄소 구조체인 풀러렌을 이용해 촉매를 감싸면서 안정성을 더했다.
이론적 계산에 따르면, 루테늄(Ru) 원자 1개가 평면상에서 질소(N) 원자 2개와 탄소 원자 2개를 이웃으로 두는 배치를 가지면(Ru-N₂C₂) 촉매 활성도가 높아진다. 또 루테늄 단원자와 질화(Nitriding, 질소와 결합한)된 루테늄 나노입자가 섞여 있으면 전기전도성이 커져서 전기화학적 효율과 활성도 반응속도 등이 크게 개선된다.
새로 개발된 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7 ㎷의 과전압을 기록했다. 과전압이 낮을수록 수소 생성에 드는 에너지 소비가 적은 효율적인 촉매가 된다. 새로운 촉매는 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율이 100%에 가까웠다.
김광수 교수는 “새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”며 “액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소발생반응을 촉진하는 촉매로 사용 가능할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구로 개발된 루테늄 기반 촉매는 상업적으로 사용되는 비싼 백금 기반의 촉매를 대신해 산성 및 염기성 매질에서 대량의 물 분해를 통해 수소 연료 생산에 사용될 수 있을 것이다. 사용 환경의 PH에 영향을 덜 받게 됨에 따라 액체 추진 로켓, 자동차, 보트 및 항공기의 어플리케이션, 휴대형 또는 고정식 연료전지 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단과 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 7월호 표지 논문으로 출판됐다.
