[SDG7 친환경에너지생산-소비] 그린 수소를 더 값싸고 친환경적으로 생산할 수 있는 기술이 국내서 개발됐다. 값비싼 귀금속 촉매를 대체한 기술로 탄소중립 사회에 한발짝 가까이 다가설 수있을 것으로 기대된다.
수소에너지 사회의 핵심 기술인 고순도 그린 수소를 저렴하게 생산할 수 있는 길이 열린 것이다.
울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 류정기 교수와 카이스트 신소재공학과 서동화 교수 공동연구팀이 높은 효율과 안정성을 가진 고순도 그린수소 생산용 이기능성(Bifunctional) 수전해 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.
루테늄과 실리콘, 텅스텐을 기반으로 만들어 기존의 백금(Pt) 또는 이리듐(Ir)촉매에 비해 저렴하다. 온실가스 배출량도 4분의 1이하로 낮아 친환경적이라는 평가다. 개발된 촉매는 부식성 강한 산성의 환경에서도 장시간 사용할 수 있다고 한다.
수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술로, 수소 생산 과정에서 탄소 배출 없이 친환경으로 수소를 생산할 수 있어 탄소중립 사회를 위한 차세대 기술로 꼽힌다.
연구팀은 산성에서 안정적인 백금이나 이리듐 등 귀금속 전해질을 대체할 물질을 연구했다.
루테늄은 생산 가격이 상대적으로 저렴하고, 백금이나 이리듐보다 각각 7분의 1, 4분의 1수준의 낮은 온실가스를 배출해 친환경적이 금속으로 각광받고 있다.
◆온실가스 배출량, 백금에 비해 7분의 1 ..."친환경적"
그러나 백금보다 촉매 반응 촉진 능력이 낮고, 이리듐보다 안정성이 낮아 상용화에는 어려움이 있었다.
이를 극복키위해 연구팀은 루테늄, 실리콘, 텅스텐 3원소 기반의 산화물로 촉매를 개발했다.
낮은 수소발생반응(HER)과 산소발생반응(OER)의 안정성이 떨어지는 루테늄 촉매의 기능을 동시에 개선해 2(two)기능성(수전해에서 수소·산소발생반응에 모두 활용할 수 있는 성질) 촉매로서 가능성을 입증했다.
개발된 촉매는 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘이 도핑된 구조로, 촉매 표면에 양성자 흡착 세기를 적절히 증가시켜 촉매 반응 촉진 능력을 높였다.
상용화된 백금 촉매보다 수소발생반응에 대한 활성도가 뛰어나고, 5∼10㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 수준의 얇은 텅스텐 막이 루테늄의 촉매 작용 부위를 보호해 안정성을 높였다고 연구팀은 설명했다.
촉매 안정성 실험에서는 산성 전해질(산도 0.3) 환경에서 1㎠ 크기 전극에 10㎃의 전류를 흘렸다. 그 결과 촉매는 100시간 이상 구동에도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.
류정기 교수는 "개발된 촉매는 기존의 값비싼 백금, 이리듐을 동시에 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다"며 "부식성 강한 산성에서도 장시간 안정적이고 쉽게 합성할 수 있어 고순도 그린수소 생산 시스템인 양성자교환막(PEM) 전해조에서도 적용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 전다솜 박사, KAIST 신소재공학과 김동연 박사, 그리고 UNIST 에너지화학공학과 김현구 박사과정생이 제 1저자로 참여했다.
연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 게재돼 지난 4일 출판됐다. 논문명: Electrochemical Evolution of Ru-Based Polyoxometalates into Si,W-Codoped RuOx for Acidic Overall Water Splitting
SDG뉴스 노영조 기자