UNIST, 수소 생산 ‘병목현상’ 해결 저비용·고효율 촉매 개발

김광수 UNIST 교수팀, MOF·그래핀 합성 신소재로 산소 발생 반응 촉진
귀금속 촉매보다 비용 낮고 성능 높아

김광수 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수(앞줄 왼쪽)와 연구진./UNIST 제공

수소 생산의 문제인 ‘산소 병목현상’을 해결할 수 있는 저렴한 촉매가 개발됐다.

김광수 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수 연구팀은 이론적 계산을 통해 물 전기분해 효율을 높이는 ‘금속 유기물 복합체(MOF)’ 촉매를 개발했다고 4일 밝혔다.

수소를 얻기 위해서는 물을 전기분해한다. 물은 수소와 산소의 결합으로 이뤄져 있는데, 전기분해를 하면 수소뿐 아니라 산소도 발생한다. 문제는 산소의 발생 반응이 느려 수소 발생 반응까지 속도가 느려진다는 점이다. 물의 전기분해 과정에서 산소가 일종의 병목현상을 일으키는 셈이다.

이런 병목현상을 해결하기 위해서는 촉매를 사용해 산소 발생 반응을 촉진해야 한다. 하지만 현재 쓰이고 있는 촉매는 귀금속 이리듐이라 수소 생산 비용이 높아진다는 단점이 있다.

연구팀은 매장량이 많고 값싼 니켈과 철로 이뤄진 MOF에 그래핀을 합성한 신소재를 개발해 이리듐 촉매를 대체하는 데 성공했다. MOF는 미세한 크기의 구멍이 많고 표면적이 넓어 다른 물질과의 반응이 활발하게 일어난다. 전기가 잘 통하고 강한 그래핀을 합성함으로써 이리듐 대비 MOF의 성능과 내구성이 낮은 문제를 해결했다.

연구팀이 개발한 촉매는 촉매 성능을 결정하는 전류밀도가 1c㎡당 0.5A(암페어)로 이리듐보다 높은 것으로 나타났다. 1000시간 이상 물의 전기분해에 사용해도 성능이 유지될 만큼 우수한 내구성을 보였다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 느린 산소 발생 반응 문제를 개선했을 뿐 아니라 기존 상용 촉매의 가격과 안정성 문제도 동시에 해결할 수 있었다"며 "개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용될 수 있을 것"이라고 했다.

이번 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy and Environmental Science)’ 5월 27일자에 게재됐다.

김윤수 기자(kysme@chosunbiz.com)

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