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  • 기사등록 2019-11-12 12:00:58
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▲ 경북대 화학과 최상일 교수(좌), GIST 신소재공학부 최창혁 교수(가운데), 강원대 화학생물공학부 임형규 교수(우) 공동 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 과정에 대한 이론적 원리를 규명했다.



[기계신문] 경북대 화학과 최상일 교수, GIST 신소재공학부 최창혁 교수, 강원대 화학생물공학부 임형규 교수 공동 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 과정에 대한 이론적 원리를 규명했다.


수소와 산소의 반응으로 물과 전기를 생산하는 연료전지와 반대되는 개념으로, 물에서 수소를 생산하는 수전해(水電解, water electrolysis)는 차세대 청정에너지 가운데 하나로 꼽히는 수소를 얻을 수 있는 기술로 실용화를 위한 연구가 활발하다.


하지만 에너지원으로 쓸 만큼 충분한 양의 수소를 얻기 위해서는 수전해의 느린 반응속도와 이에 따른 높은 전력소모를 개선하는 것이 숙제로 남아 있다.


물분해를 돕는 촉매의 활성을 높이려는 연구가 활발하나 촉매가 용액에서 작동하는 원리조차 완전히 이해하지 못하는 실정으로 새로운 촉매소재 설계에 어려움이 있었다.



▲ 합성된 모델 촉매들의 전자현미경 사진. (A) 팔라듐-백금과 (D) 팔라듐 수소화물-백금 코어-쉘 모델 촉매의 저배율 전자현미경 이미지. (B, C) 팔라듐-백금과 (E, F) 팔라듐 수소화물-백금 코어-쉘 모델 촉매의 고분해능 전자현미경(HAADF-STEM) 이미지와 원소 분포도



연구팀은 마치 달걀 노른자와 흰자처럼 팔라듐 또는 팔라듐 수소화물을 백금 원자층으로 감싼 팔라듐-백금 또는 팔라듐 수소화물-백금 코어쉘(core-shell) 구조의 촉매를 고안하고, 백금 원자층이 두꺼워질수록 촉매의 성능이 높아지는 것을 알아냈다.


단일 층부터 다섯 개 층에 이르기까지 백금원자를 정밀하게 코팅하면서 표면 백금의 원자거리가 수소 생산량에 영향을 미치는 것을 알아냈다. 코어쉘 구조의 촉매를 표면 백금의 원자거리가 제어된 새로운 촉매 모델로 활용하고, 이를 통해 수소생산반응이 백금의 원자거리에 영향을 받는 것을 알아낸 것이다.


또한 내부의 팔라듐으로 인해 표면 백금의 전자구조가 변경, 수소 생산 반응에 영향을 미치는 것도 확인할 수 있었다. 팔라듐 수소화물보다 팔라듐을 코어로 사용하였을 때 더 높은 반응 성능을 나타내는 결과를 얻었다.



▲ 모델 촉매의 수소 생산 반응에 대한 활성 평가 결과, 팔라듐 수소화물보다 팔라듐을 내부물질로 사용하였을 때 더 높은 성능을 보였다. 또한 물 분자와의 상호작용 정도를 고려했을때, 기존의 ΔGH 값으로 설명되지 않았던 팔라듐-백금 코어-쉘 나노입자의 높은 성능 효과를 설명할 수 있게 되었다.



최상일 교수 “이번 연구는 팔라듐-백금 코어-쉘 모델 촉매를 이용해 촉매 분야에서 지속적으로 관심을 가져온 주제인 염기 수전해에서의 촉매 작동원리를 규명했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “수소 대량생산을 위한 수전해 촉매의 설계 및 제조에 대한 새로운 아이디어를 제공함으로써 고효율·저비용 수소 대량생산과 관련 연구개발에 활기를 불어 넣을 것으로 기대된다”고 밝혔다.


특히 이번 연구는 고활성의 촉매 개발을 중시하는 기존 촉매 연구와는 달리 촉매의 작동 원리를 규명하는 핵심 연구이다. 이번 연구결과를 필두로 산성 수전해조와 염기 수전해조 모두에서 사용할 수 있는 촉매, 귀금속을 사용하지 않는 저비용 고활성 촉매 등의 추가적인 연구 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 보인다.


한편, 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업, 미래소재디스 커버리사업, 나노·소재원천기술개발사업 및 KIST기관고유사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 10월 17일 게재되었다.


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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