경북대학교 화학과 최상일 교수, GIST 신소재공학부 최창혁 교수, 강원대학교 화학생물공학부 임형규 교수 공동 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 과정에 관한 이론적 원리를 규명했다고 합니다. 해당 연구 논문은 <Journal of the American Chemical Society>에 게재됐습니다.
수전해의 어려움
수전해(水電解, water electrolysis)는 물에서 수소를 생산하는 과정입니다. 수소와 산소의 반응으로 물과 전기를 생산하는 연료전지와 반대되는 개념이죠. 염기 수전해는 높은 촉매 안정성과 더불어 대량의 수소를 생산할 수 있습니다. 수소는 차세대 청정에너지 가운데 하나로 꼽히는데요. 덕분에 수전해는 전 세계적으로 주목 받고 있는 기술입니다.
하지만 에너지원으로 쓸 만큼 충분한 양의 수소를 얻기 위해서는 수전해의 느린 반응속도와 이에 따른 높은 전력소모를 개선해야 합니다. 때문에 물분해를 돕는 촉매의 활성을 높이려는 연구가 최근 활발합니다. 하지만 촉매가 용액에서 작동하는 원리조차 완전히 이해하지 못하는 실정이기 때문에 새로운 촉매소재 설계에 어려움을 겪어왔습니다.
촉매 설계의 해법은 '백금 원자 거리'와 '팔라듐'
연구팀은 마치 달걀 노른자와 흰자처럼 팔라듐 혹은 팔라듐 수소화물을 백금 원자층으로 감쌌습니다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐-백금 또는 팔라듐 수소화물-백금 코어쉘(core-shell) 구조의 촉매를 고안해냈습니다. 연구팀은 또한 백금 원자층이 두꺼워질수록 촉매의 성능이 높아짐을 알아냈습니다. 이에 단일층부터 다섯개층에 이르기까지 백금원자를 정밀하게 코팅했는데요. 연구팀은 이 과정에서 표면 백금의 원자거리가 수소생산량에 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈습니다.
연구팀은 코어쉘 구조의 촉매를 표면 백금의 원자거리가 제어된 새로운 촉매 모델로 활용했습니다. 이를 통해 연구팀은 수소생산반응이 백금의 원자거리에 영향을 받는다는 걸 알아냈습니다. 또한 내부의 팔라듐으로 인해 표면 백금의 전자구조가 변경됨을 확인했습니다. 이러한 현상이 수소 생산 반응에 영향을 미치는 것도 확인할 수 있었죠. 이에 연구팀은 팔라듐 수소화물보다 팔라듐을 코어로 사용했을 때 더 높은 반응 성능을 나타낸다는 결과를 얻었습니다.
이번 연구는 수소 대량생산을 위한 수전해 촉매의 설계 및 제조에 대한 새로운 아이디어를 제공했습니다. 이는 고효율·저비용 수소 대량생산과 관련 연구개발에 활기를 불어 넣을 것으로 기대됩니다.
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