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‘안정성 세계 최고’ 수소 생산용 물 전기분해 촉매 개발

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‘안정성 세계 최고’ 수소 생산용 물 전기분해 촉매 개발

2019.04.12 18:00
연구를 주도한 UNIST 연구자들이 모였다. 왼쪽 앞부터 시계 방향으로 박혜성 교수, 김창민 연구원, 김건태 교수, 오남근 연구원. 곽상규 교수는 촬영에 함께 하지 못했다. 사진제공 UNIST
연구를 주도한 UNIST 연구자들이 모였다. 왼쪽 앞부터 시계 방향으로 박혜성 교수, 김창민 연구원, 김건태 교수, 오남근 연구원. 곽상규 교수는 촬영에 함께 하지 못했다. 사진제공 UNIST

수소를 생산하는 방법 가운데 물에 전기를 흘려 산소와 수소로 분해하는 ‘물 전기분해(수전해)’ 기술이 있다. 이 과정에는 화학 반응을 촉진하는 물질인 ‘촉매’가 필요한데, 국내 연구팀이 이제까지 만들어진 물 전기분해 촉매 가운데 가장 안정성이 뛰어난 촉매를 개발하는 데 성공했다.


울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 박혜성 김건태 곽상규 교수와 김창민, 오남근 연구원 팀은 두 가지 화합물을 결합시켜 안정적으로 물을 전기분해하면서 저렴하며 제조하기도 쉬운 촉매를 개발해 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 12일자에 발표했다.


물을 전기분해할 때 기존에는 백금이나 이리듐 등 귀금속 계열의 촉매를 이용했다. 성능은 우수하지만, 가격이 비싸고 안정성이 떨어져 상용화에 불리한 게 단점이었다. 연구팀은 ‘몰리브덴다이셀레나이드’라는 물질과 ‘란탄스트론튬코발트산화물’이라는 두 가지 물질을 용기에 넣고, 쇠구슬과 함께 굴리는 공정(볼밀 공정)으로 촉매를 합성했다. 


실험 결과 이 촉매로 물을 전기분해하면 수소와 산소를 발생시키는 반응이 모두 우수한 것으로 나타났다. 기존의 귀금속 촉매가 수소나 산소 가운데 하나만 잘 발생시키는 것과 대비된다. 두 배 강한 전류를 흘려도 손상이 일어나지 않아 안정성이 높다. 기존에는 어른 엄지손톱 크기인 가로세로 1cm 크기의 촉매를 제작해 50mA(밀리암페어)의 전류만 흘려도 촉매가 망가졌는데, 새 촉매는 100mA의 전류를 흘려도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 연구팀은 “지금까지 보고된 물 전기분해 촉매 중 안정성 면에서 최고 수준”이라고 말했다.

 

수소발생반응(왼쪽)과 산소발생반응(오른쪽)을 비교했다. 작은 기포가 산소 또는 수소가 나온 흔적이다. 양쪽 모두 우수한 성능을 보이고 있다. 사진제공 UNIST
수소발생반응(왼쪽)과 산소발생반응(오른쪽)을 비교했다. 작은 기포가 산소 또는 수소가 나온 흔적이다. 양쪽 모두 우수한 성능을 보이고 있다. 사진제공 UNIST

공동 제1저자인 김창민 연구원은 “최근 알카라인 물 전기분해 기술은 대부분 금속에 기반을 둔 수소생산반응 촉매 연구에 집중됐다”며 “반면 산소발생반응 촉매는 연구가 덜 이뤄져 물 분해 반응의 발목을 잡았는데, 이번에 양쪽에서 높은 성능을 보이는 새로운 촉매가 나온 만큼 관련 기술도 한층 발전할 것”이라고 설명했다.


김건태 교수는 “물 전기분해 촉매를 상용화하려면 합성이 간단하고 대량화가 가능해야 하며, 재현성이 높고 비용이 낮으면서 성능과 안전성도 높아야 한다”며  “새 촉매는 이런 조건을 만족시킬 수 있을 것”이라고 말했다.

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