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  • 기사등록 2020-09-20 12:00:03
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▲ 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀이 백금을 사용하지 않고 수소 생산 효율을 향상시키고, 비백금촉매의 한계였던 내구성 문제를 극복하여 장기적 안정성을 확보한 전이금속 소재의 촉매를 개발했다.



[기계신문] 화석연료 기반의 현재 에너지 시스템에서 벗어나 수소를 에너지원으로 활용하기 위해서는 수소의 안정적인 생산, 저장 그리고 운송에 대한 기틀이 마련되어야 한다.


이를 위해 친환경적인 수단으로 수소를 생산하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있고, 현재까지 물의 전기분해를 통한 수소생산이 가장 큰 잠재성을 가진 차세대 수소 생산기술이다. 그러나 낮은 효율과 높은 생산 비용은 물 전기분해의 기술 상용화에 가장 큰 걸림돌이다.


현재까지 물 전기분해의 반쪽 반응인 수소 발생 반응의 최고 성능을 갖는 촉매는 백금계 물질이다. 따라서 백금계 물질의 성능을 유지하면서 저렴한 재료의 촉매 개발은 중요한 연구 주제이다.


비백금계 즉 비귀금속계열의 수소생산을 위한 촉매는 전이금속계열 물질을 중심으로 연구가 이루어졌으나 귀금속계열의 촉매를 대체하려면 여전히 수소생산 효율과 내구성의 개선이 이루어져야 한다.


이를 위해 다양한 합금 유형 또는 다른 금속의 도핑, 촉매 구조 변경과 같은 다양한 전략이 연구되고 있다. 결국, 촉매의 전자구조를 조정하여 반응 중간체와 결합 에너지를 최적화하여 전기 촉매 반응의 고유 활성과 내구성을 향상시키는 것이 주요 전략이다.


한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀이 백금을 사용하지 않고 수소 생산 효율을 향상시키고, 비백금촉매의 한계였던 내구성 문제를 극복하여 장기적 안정성을 확보한 전이금속 소재의 촉매를 개발했다.



▲ (a) 티타늄 도핑된 인화 몰리브덴의 구조 및 수소 발생점의 모식도 (b, c) 수소 발생 반응에 대한 활성과 15일간의 촉매 안정성 평가결과



다양한 종류의 전이금속 중에서 몰리브덴(MoP) 기반 재료는 저비용, 높은 내구성 및 잘 뭉치지 않는 경향으로 인해 에너지 변환 및 저장에 큰 관심을 끌고 있고, 특히, 전기화학적 수소생산 촉매로써 인화 몰리브덴은 같은 이유로 주목받고 있다.


그러나 활성 및 장기 내구성은 상용화에 필요한 수준을 여전히 밑돌고 있고, 수소생산 활성을 높이기 위한 연구에 가려져 물질의 내구성을 향상을 위한 연구는 상대적으로 미미한 수준이다.


비귀금속계열의 물질은 본질적으로 귀금속계 물질에 비해 장기 구동 환경에서 내구성이 현저히 낮기 때문에, 수전해 시스템의 상용화 실현을 위해서는 촉매의 활성과 내구성이 동시에 개선되는 것이 매우 중요하다. 특히 몰리브덴계 전기 촉매는 기본적으로 산화에 취약하여 촉매 활성이 저하되기 때문에 내구성 연구에 중요성이 높다.


KIST 유성종 박사팀은 산성 매체의 물 분해과정에서 높은 활성 및 내구성을 갖는 수소생산 촉매로 티타늄이 도핑된 인화 몰리브덴을 합성하였다. 티타늄을 인화 몰리브덴에 도핑함으로써 티타늄, 몰리브덴 및 인의 전자구조가 완전히 재구성되어 수소 발생 반응의 활성을 크게 개선하였다.


또한, 재료에 강화된 내산화성을 부여하여 수소 발생 반응과 공기 중에서 발생하는 자발적 산화 문제를 해결하였다. 특히 도펀트인 티타늄의 역할과 티타늄과의 상호 작용으로 인한 몰리브덴과 인의 변화와 수소 발생 반응에 대한 활성 및 내구성 향상과의 관계를 규명하였다.



▲ (a) 티타늄 도핑된 인화 몰리브덴 촉매 합성 방법 (b) 합성된 촉매의 구조와 티타늄 도핑 사이트 분석결과



연구팀이 개발한 촉매는 합성 과정에서 각 재료의 전자구조가 완전히 재구성되며 수소발생반응의 활성도가 백금계 촉매와 동등한 수준을 보이는 것으로 확인됐다. 특히, 전자구조의 재구성에 따라 전이금속계 소재의 고질적인 한계로 지적되던 높은 부식성을 개선하여 기존 촉매 대비 내구성이 26배 향상되어 비백금계 촉매의 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 보인다.


유성종 박사는 “이번 연구는 전이금속계 촉매 기반 수전해 장치의 최대 제약이었던 안정성을 향상한 것에 의의를 찾을 수 있다”며 “전이금속계 촉매의 수소생산 효율을 백금 촉매 수준으로 끌어올림과 동시에 안정성을 동시에 향상시킨 이번 연구가 친환경 수소에너지 생산 기술의 상용화를 한 발 더 앞당기는 데 기여하기를 바란다”고 밝혔다.


이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 학술지 ‘Nano energy’ 최신호에 게재되었다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

오상미 기자 osm@mtnews.net

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