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물에서 수소 만드는 새로운 촉매 나왔다

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UNIST 김광수 교수팀, 이론-실험 융합으로 산소 발생 반응 최적화 촉매 개발

파이낸셜뉴스

나노구조. 게티이미지 제공

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[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 전기를 이용해 물에서 수소를 생산에 필요한 새로운 물질을 개발했다. 연구진은 이 물질을 이용하면 기존의 물 전기분해 방식에서 사용하는 물질을 이용했을때보다 수소를 만들어내는 속도가 더 빨라진다고 설명했다. 또한 이 물질은 니켈과 철을 이용해 기존 재료보다 저렴하다고 말했다.

울산과학기술원(UNIST)은 자연과학부 화학과 김광수 교수 연구팀이 이론적 계산을 통해 물 전기 분해 효율을 높일 '금속 유기물 복합체' 촉매를 개발했다고 4일 밝혔다.

물을 전기분해할때 촉매의 음극에서는 수소가 발생하고 양극에서는 산소가 발생한다. 이때 양극에서 산소가 늦게 만들어져 수소 생산까지 영향을 준다. 연구진에 따르면 이 촉매는 전기를 이용해 수소를 빨리 만드는데 걸림돌로 작용하는 산소 발생 반응을 촉진해 수전해 반응을 촉진한다.

연구진은 이번에 개발된 촉매가 기존 산화이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로(과전압) 많은 양의 수소(전류밀도)를 생산해 낼 수 있다고 말했다. '알칼리 음이온 교환막 수전해 장치'를 만들어 실제 촉매의 성능을 평가한 결과 300mV(밀리볼트) 전압에서 단위 면적(cm2)당 0.5A(암페어)의 전류 밀도를 달성했다.

연구진은 "이 결과는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이며 1000시간 이상을 작동했을 때도 우수한 내구성을 보였다"고 설명했다.

물 전기분해 즉 수전해는 전기로 물을 분해해 수소와 산소를 생산하는 방식이다. 여기선 수소, 산소 생산의 두 가지 반응이 각각 동시에 일어나는데, 문제는 전체 반응이 속도가 느린 '산소 발생 반응'에 맞춰 진행된다는 데 있다. 때문에 산소 발생 반응이 늦어질수록 수소 생산 속도도 더디게 된다.

연구진은 니켈과 철을 포함하는 금속 유기 골격체(MOF)를 이용해 개발한 촉매로 새로운 해결방안을 제시했다. 금속 유기 골격체는 금속과 유기물이 마치 건축물의 철근 같은 뼈대 모양을 이루는 물질이다. 미세한 크기의 구멍이 많아 표면적이 넓고, 촉매 반응이 일어나는 금속 원자가 표면에 노출 된다는 장점이 있다. 게다가 상용 촉매에 사용되는 이리듐에 비해 니켈과 철은 매장량도 많고 가격도 저렴하다.

제 1저자인 탕가벨 박사과정 연구원은 "금속 유기 골격체에 전도성이 높고 튼튼한 그래핀을 접목해 단점을 극복하고 높은 효율을 보이는 산소 발생 반응 촉매를 개발 할 수 있었다"고 설명했다.

공동 저자인 하미란 박사과정 연구원은 이론 계산을 통해 촉매의 구조를 디자인했다. 시뮬레이션을 통해 금속 유기체 골격체의 최적화된 구조와 성분을 찾아냈다. 하 연구원은 "니켈 금속 유기 골격체에 철을 첨가하면 철 단 원자 지점에서 반응성이 개선돼 전체 반응성도 좋아진다"고 설명했다.

이 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 '에너지와 환경과학'에 5월 27일자로 온라인 출판됐다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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