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그물로 감싼 이리듐 촉매로 수소 생산 효율 높인다

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그물로 감싼 이리듐 촉매로 수소 생산 효율 높인다

2018.12.26 15:09
두 분자로 3D 콘을 합성하는 과정(a)과 이렇게 형성된 분자가 이리듐 원자(금색)를 포획한 모습(b,c). -사진 제공 UNIST
두 분자로 3D 콘을 합성하는 과정(a)과 이렇게 형성된 분자가 이리듐 원자(금색)를 포획한 모습(b,c). -사진 제공 UNIST

최근 산업계의 큰 관심을 끌고 있는 수소연료전지가 상용화되려면 연료인 수소를 효율적으로 생산하는 방법이 함께 개발돼야 한다. 특히 물을 분해해 수소를 생산하는 방식은 화석연료 생산 과정에서 부산물로 나오는 수소를 얻는 등의 다른 방식에 비해 오염물 배출이 적어 친환경적인 것으로 평가 받는다. 하지만 효율적으로 물을 분해할 기술이 아직 부족했는데, 최근 국내 연구팀이 세계 최고의 효율로 물을 분해할 수 있는 촉매를 개발했다.


자비드 마흐무드 울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 연구교수와 모신 알리 라자 안줌 연구원, 백종범 교수팀은 입체 유기 구조체를 만든 뒤 안에 금속인 이리듐을 넣은 새로운 물 분해 촉매를 개발해 세계 최고의 효율을 확인하고, 그 결과를 응용화학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 27일자에 발표했다.


촉매는 물을 분해해 수소를 만들 때 가장 핵심적인 역할을 하는 소재로, 일어나기 어려운 반응(여기서는 물 분해)을 촉진하는 역할을 한다. 수소 생산에 이용되려면 물의 산도(pH)에 영향을 받지 않고, 되도록 낮은 전압에서 효율적으로 수소를 만들 수 있어야 한다. 연구팀은 물 분해 촉매로 높은 효율을 지니는 이리듐에 주목했다. 이리듐은 자신들끼리 뭉쳐서 제 성능을 발휘하지 못하는 게 단점이었는데, 연구팀은 이런 응집 현상을 막기 위해 이리듐을 다른 구조물로 감싸는 방법을 고안했다.


연구팀은 육각형 모양의 탄소 구조를 갖는 헥사케토사이클로헥세인(HKH)이라는 분자와 트립티센헥사민(THA)라는 분자를 이용해 이리듐 원자를 내부에 가둘 수 있는 3차원 입체 유기체인 3D콘(3D-CON)을 만들었다. HKA와 THA는 각각 사슬처럼 연결돼 마치 그물 같은 구조를 만드는데, 그물코 사이사이에 이리듐 원자가 들어가면서 이리듐이 뭉치지 않고 일정한 간격을 유지할 수 있게 된다.

 

이리듐의 이론적인 수소 발생 성능을 실험적으로 규명한 UNIST 연구진. 왼쪽부터 백종범 교수, 자비드 마흐무드 박사, 정후영 교수. -사진 제공 UNIST
이리듐의 이론적인 수소 발생 성능을 실험적으로 규명한 UNIST 연구진. 왼쪽부터 백종범 교수, 자비드 마흐무드 박사, 정후영 교수. -사진 제공 UNIST

연구팀은 이렇게 만든 촉매인 ‘이리듐앳콘(Ir@CON)’의 효율을 확인했다. 그 결과 이리듐 촉매의 문제였던 응집 현상이 나타나지 않았다. 또 물의 pH에 상관 없이 성능을 발휘했으며, 필요한 전압도 지금까지 알려진 모든 촉매보다 낮았다. 백 교수는 “이론적으로 예측했지만 누구도 실험으로 구현하지 못했던 이리듐의 수소 발생 성능을 실험으로 처음 밝혔다” “현존하는 물 분해 촉매 가운데 에너지 손실률은 가장 낮고 전류량 대비 성능은 가장 높다”고 밝혔다.


연구팀은 “실용화까지는 3~5년의 시간이 더 필요하다”며  “이번 연구는 시작에 불과하며 다양한 금속과 유기 구조체 사이의 조합을 통해 더 값싸고 효율 높은 물 분해 촉매를 개발할 것”이라고 말했다.
 

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