비싼 백금 함량 확 낮춘(1/5000배) 수전해 촉매 디자인
물 분해해 수소 만드는 수전해반응의 필수촉매, 백금의 낮은 경제성 보완 기대
□ 화석연료가 아닌 물에서 친환경적으로 수소를 얻으려는 연구가 활발한 가운데 수전해(water electrolysis) 과정에 쓰이는 촉매의 단가를 크게 낮출 수 있는 방법이 소개됐다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 전기준 교수(인하대학교 환경공학과) 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 과정에 필수적인 고가의 백금촉매에 필적할 새로운 저가형 촉매를 제안했다고 밝혔다.
□ 차세대 에너지원의 하나로 그린수소에너지에 대한 관심이 높아지면서 물을 분해하여 수소를 얻는 수전해 기술에 대한 연구가 활발하다.
○ 수전해를 돕는 촉매로 백금의 우수성은 잘 알려져 있었으나 고가의 백금 함량을 경제성을 지닐 정도로 충분히 낮출 수 있는지가 상용화의 관건이었다.
□ 연구팀은 백금에 아닐린※을 첨가한 백금-아닐린 복합체를 채택, 백금 함량을 기존 음극재(백금 10%) 대비 1/5000배 수준으로 낮췄다.
※아닐린 : 벤젠고리를 가진 화합물로 전이금속(빽금 등)의 환원이나 응집현상을 제어할 수 있고 구성원소 가운데 질소에 의해 전기적 특성도 향상시킬 수 있다.
○ 이를 토대로 황(S)을 도입한 양자점※ 형태의 이황화백금(PtS2) 촉매를 디자인, 전기적 효율과 안정성을 모두 개선할 수 있었다.
※양자점(Quantum dot) : 크기가 약 2-10 나노미터(nm)에 불과한 미세 반도체 입자로 전기적, 광학적 성질을 더 세밀하고 정교하게 구현가능하다.
□ 한편 연구팀은 촉매를 기판에 붙이는 별도 공정※ 대신 기판 위에 직접 이황화백금을 성장(화학기상증착법※)시키는 방법을 고안했다.
※전극은 일반적으로 기판과 촉매, 그리고 이 둘의 접착을 돕는 바인더로 이뤄진다.
※화학기상증착법 : 열과 전기로 원료가스의 화학작용을 일으켜 박막을 형성하는 기술이다.
○ 수전해 반응 중 기판과 촉매를 연결하는 바인더의 접착효과가 떨어지면서 안정성이 저하되는 것을 막기 위해 바인더 자체가 필요 없도록 만든 것이다.
○ 실제 이렇게 제작한 티타늄카바이드 기판은 기존 이산화티타늄 기판에 비해 전기저항이 약 12배 감소하였다.
□ 실제 티타늄카바이드 기판에 이황화백금을 적용한 음극전극을 적용한 결과 기존 백금촉매 적용 음극과 거의 동일한 수준의 수소생산 효율을 보였다.
○ 또한 강산 용액의 극한 환경에서도 60시간 이상 수준을 유지할 정도로 우수한 안정성을 보였다.
□ 연구팀은 향후 더 안정적이고 효과적인 수소생산을 위한 저가형 음극재 개발연구 및 실제 수소생산용 스택에 적용/연계를 추진할 예정이다.
○ 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 나노소재원천 기술 개발사업, 기초연구사업 및 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 및 환경 분야 국제학술지‘어플라이드 카탈리시스 B:엔바이런먼탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 4월 15일에 게재(온라인)되었다.
