▲ UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 ‘루테늄(Ru)’과 ‘다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)’를 결합한 ‘물 분해용 수소 촉매, Ru@MWCNT’를 개발했다. (좌측부터) 마흐무드 연구교수, 백종범 교수, 권도형 연구원

[기계신문] 화석 연료의 유한성과 유가 상승, 지구온난화 등의 문제로 전 세계가 친환경 대체 에너지 개발에 적극적으로 나서고 있다. 물을 원료로 삼는 수소를 에너지원으로 사용하는 방안도 이 중 하나다.

물은 지구상에서 무궁무진하므로 화석 연료가 가진 자원 고갈 문제를 해결할 수 있다. 또 물 자체가 오염물질을 배출하지 않으므로 환경오염 부분에서도 자유롭다.

‘물의 전기분해’는 해화석 연료를 사용하지 않고 수소를 생산하는 기술로 가장 잘 알려졌다. 이 과정에는 전기화학적인 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER)이 가장 중요하다.

이 반응을 이용해 수소를 효율적으로 생산하려면 과전압을 낮추는 촉매가 개발돼야 한다. 이 기술의 중요성은 이미 미국, 일본, 독일을 비롯한 기술 선진국에서 상당히 연구됐다.

지금까지 알려진 최고의 물 분해 촉매는 ‘백금(Pt)’이다. 그러나 백금은 귀금속이기 때문에 가격이 너무 높다. 이뿐 아니라 낮은 안정성도 문제점으로 지적되고 있다.

▲ Ru@MWCNT 합성 모식도. 상용 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)을 질산(HNO₃)으로 약하게 산화시킨 뒤 표면에 초산기(카르복실산, -COOH)를 도입했다. MWCNT 표면에 풍부한 초산기를 이용하면 루테늄(Ru)이 쉽게 흡착된다. 개별 루테늄 이온(Ru³⁺)은 수산화붕소나트륨(NaBH₄)에 의해서 루테늄 나노 입자로 직접 환원돼 Ru@MWCNT를 형성한다. 700℃ 열처리 과정에서도 루테늄 입자가 응집하지 않고 고르게 분포된다.

최근 UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 ‘루테늄(Ru)’과 ‘다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT)’를 결합한 ‘물 분해용 수소 촉매 Ru@MWCNT’를 개발했다.

연구팀은 이 촉매가 실제로 작동할 시스템을 간략하게 만들어 성능 평가도 진행했다. 그 결과, 상용화된 백금 촉매(Pt/C)보다 여러 면에서 우수한 것으로 드러났다. 새 촉매는 합성법이 간단해 대량생산에도 적합해 실용화에 성큼 다가섰다는 평가다.

백종범 교수는 “기존 촉매의 특성을 뛰어넘는 우수한 촉매를 개발했을 뿐만 아니라, 상업화에 필요한 실제 전극의 평가 방법을 제시했다”며 “다른 촉매도 상용화 관점에서 진단해볼 수 있을 것”이라고 밝혔다.

백종범 교수 연구팀은 백금 촉매를 대체할 성능이 우수하고 저렴한 수소 촉매를 꾸준히 개발해왔다. 이번에 개발한 촉매는 기존에 발표한 금속 유기체 촉매보다 우수한 전기화학적 특성을 보였다. 과전압의 경우 기존에 발표된 촉매 중 가장 낮았으며, 물의 산성/염기도에도 크게 영향을 받지 않았다.

▲ 다른 촉매와 수소 발생 반응 성능 비교(과전압 기준). 과전압 값이 낮을수록 좋은 촉매를 의미한다. 위쪽은 산성(acidic condition, 황산 0.5M), 아래쪽은 염기성(alkaline condition, 수산화칼륨 1.0M) 환경이다. 맨 앞 회색 막대가 백금, 바로 뒤 빨간색 막대가 Ru@MWCNT다.

새 촉매는 단일한 벽을 가진 탄소나노튜브(CNT)가 서로 중첩된 형태(MWCNT)에 작은 루테늄 입자가 고르게 분포된 구조다. 우수한 성능은 ‘루테늄 입자가 작고 고르게 분포’한 덕분인데, 이를 위해 제조공정도 개발했다.

권도형 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “루테늄과 탄소나노튜브를 결합하는 기존 방법에서는 열처리 중에 루테늄이 응집하면서 그 크기가 커지는 경향이 있었다”며 “이런 응집 현상을 ‘루테늄 염(Ru salt)’과 ‘초산기(-COOH)’를 도입해 억제함으로써 루테늄 입자를 작고 고르게 분포시킬 수 있었다”고 설명했다.

연구팀은 새로운 촉매의 성능 평가를 위해 기존 과전압 측정 외에 ‘물 분해 시스템’의 전극으로 만들어 평가하는 방법도 진행했다. 이 촉매를 전극으로 사용했을 때 수소 발생량을 실제로 측정해본 것이다.

그 결과, 같은 조건에서 상용화된 백금 촉매보다 15.6% 많은 수소를 생산했다. 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율도 92.2%로 백금 촉매(85.9%)보다 높았다.

▲ 실제 물 분해 시스템에서의 수소 발생 반응 성능 평가

백종범 교수는 “수소 촉매 연구는 주로 촉매 자체의 평가에 집중돼 있어 실제 물 분해 시스템에서 평가하기 위한 연구는 미흡했다”며 “이번 연구는 촉매 자체의 우수성뿐 아니라 실제 적용했을 때 성능까지 짐작해볼 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 언급했다.

현재 많은 선진국이 정부 차원에서 미래 청정 에너지원으로 수소를 고려하며, 수소산업의 중심에 있는 물 분해 촉매 개발에 힘쓰고 있다.

따라서 물 분해 촉매의 연구 방향을 제시한 이번 연구 성과가 궁극적으로 상업화까지 이어질 경우, 에너지 및 환경 문제를 해결하는 데 중요하게 기여할 것으로 예상된다. 특히 새로운 평가법의 도입으로 많은 촉매를 상용화 관점에서 진단해보는 연구가 활발해질 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부와 한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 그리고 창의소재발견프로그램의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 9일자로 공개됐다.

기계신문, 기계산업 뉴스채널

관련기사