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백금보다 높은 수소 생산효율 가진 루테늄 촉매 개발

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백금보다 높은 수소 생산효율 가진 루테늄 촉매 개발

2019.07.30 12:08
김광수 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 특훈교수 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다. UNIST 제공
김광수 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 특훈교수 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다. UNIST 제공

국내 연구팀이 이론적인 극한값에 근접한 극소량의 에너지로 수소를 생성하는 전기 촉매를 개발했다. 현재 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 수소 생산 효율이 높다는 게 연구팀의 설명이다. 


김광수 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 특훈교수 연구팀은 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 


연구팀이 개발한 촉매는 루테늄을 사용했다. 루테늄은 단단하고 은백색을 띠는 전이금속으로 로듐, 팔라듐, 백금과 함께 수소화 반응 촉매로 사용된다. 연구팀은 질소가 첨가된 그래핀에 루테늄 단일원자와 표면을 단단하게 만든 루테늄 나노입자들을 혼합시켰다.


연구팀은 “이론적 계산에 따르면 루테늄 원자 1개가 질소 원자 2개와 탄소 원자 2개를 이웃으로 두는 배치를 가질 경우 촉매 활성도가 높아진다”며 “루테늄 단원자와 표면이 단단해진 루테늄 나노입자가 섞여 있을 경우 전기전도성이 커져 전기화학적 효율과 활성도 반응 속도가 개선된다”고 설명했다.


연구팀이 새로 개발한 촉매는 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7mV(밀리볼트)의 과전압을 기록하는 것으로 나타났다. 과전압은 전해 과정에서 이론적으로 주어지는 분해전압과 실제로 전극 간에 주어지는 전압의 차이를 듯하는 것으로 과전압이 작을수록 이론 값에 가까워졌다고 평가한다. 


새로 개발한 촉매는 촉매효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율에서 100%를 기록하기도 했다. 패러데이 효율은 반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 뜻한다.


김 교수는 “새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”며 “액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소발생반응을 촉진하는 촉매로 사용 가능할 것”이라고 밝혔다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’ 지난 3월 28일 온라인판으로 발표됐다.
 

연구팀은 질소가 첨가된 그래핀에 루테늄 단일원자와 표면을 단단하게 만든 루테늄 나노입자들을 혼합시켰다. UNIST 제공
연구팀은 질소가 첨가된 그래핀에 루테늄 단일원자와 표면을 단단하게 만든 루테늄 나노입자들을 혼합시켰다. UNIST 제공

 

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