에어로겔 구조 적용한 고성능 수소 발생 촉매 개발
신소재 에어로겔 구조 도입, 그린 수소 생산 상용화에 기여 가능성 확보
□ 세상에서 가장 가벼운 고체로 알려진 3차원의 에어로겔. 여기에 나노 기공구조를 적용, 친환경 그린 수소 생산에 핵심 기술인 수전해(Water electrolysis)에 사용되는 고성능 전기 촉매가 개발되었다.
※ 에어로겔 (Aerogel) : 머리카락 굵기의 1/10000 크기인 나노입자가 서로 얽혀있는 구조로 전체 부피의 최대 99%가 공기로 이루어져 지구상에서 가장 가벼운 고체
※ 그린 수소 : 신재생 에너지를 이용해 물을 전기분해하여 얻어지는 친환경 수소
※ 수전해 : 물 분자(H2O)를 전기분해하여 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)를 생산하는 방법
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박형호 교수(연세대학교) 연구팀이 새로운 고성능 수소 발생 촉매 소재로 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔 소재를 개발했다고 밝혔다.
○ 수소 발생 촉매는 그린 수소를 얻는 수전해 과정에 필수 요소이다.
□ 수소 발생 촉매 중 유일하게 상용화된 전기 촉매인 백금/탄소 (Pt/C)는 높은 촉매 특성을 나타내지만, 사용 시간의 증가에 따라 백금/탄소에 있는 탄소가 분해/산화되어 촉매 성능이 심각하게 저하되는 문제점을 나타낸다.
○ 또한, 금속 산화물을 사용하여 전기 촉매(Pt/MOx)의 안정성을 확보하고자 하는 연구가 진행되어왔으나, 기존에 보고된 금속 산화물들은
낮은 전기전도도와 작은 비표면적 등으로 인해 고효율의 촉매 특성 확보에 어려움이 있다.
□ 이에, 연구팀은 에어로겔 구조를 갖는 주석 산화물을 합성한 뒤 불소의 도핑을 통해, 높은 전기전도도를 보유한 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔을 합성하였다.
○ 나노 기공구조를 갖는 에어로겔은 수 나노 크기의 입자가 3차원 구조를 형성하여 높은 기공률과 큰 비표면적을 구현할 수 있는 구조이다.
○ 연구진이 개발한 에어로겔은 약 20g으로 축구장의 면적을 덮을 수 있을 만큼의 큰 비표면적을 갖는 소재로 나노 구조와 표면 활성을 극대화할 수 있다.
□ 개발한 에어로겔을 전기 촉매의 구조 지지체로 적용하고 백금 나노 클러스터를 복합화하여, 강한 분자간 힘을 바탕으로 전하의 이동을 극대화 시켰다.
○ 그 결과 기존 백금/탄소 촉매 대비 약 22배의 수소변환 효율과 5.4배의 내구성을 갖는 전기 촉매를 개발하였다.
○ 기존 백금/탄소 촉매보다 5mV 작은 작동 전압을 가지며 이는 금속 산화물을 지지체로 사용한 전기 촉매 중 최고 수준이라고 연구팀은 설명했다.
□ 상용 백금 촉매의 사용량을 1/16로 줄여 저렴하면서도 높은 촉매 효율 및 내구성을 확보하였고 친환경 미래 에너지 도입과 탄소 저감 가능성을 기대하고 있다.
○ 이번 연구를 통하여 용액 공정에서 효과적으로 불소를 도핑할 수 있는 기술을 확보하였고, 촉매뿐만 아니라 큰 비표면적과 높은 전기전도도가 모두 필요한 센서, 디스플레이, 연료전지, 열전 분야에 전극 소재 등으로 적용이 가능할 것으로 전망된다.
※ 열전 : 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환할 수 있는 기술
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 1월 4일 게재(온라인) 되었다.