온실가스인 '이산화탄소'를 없애는 동시에 '전기'와 '수소'를 생산하는 '수계 금속-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO2 system)'의 성능을 높여 줄 촉매가 개발됐습니다. 연구진이 앞서 개발한 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화 가능성이 한 층 더 밝아질 전망입니다.
- 수계 금속-이산화탄소 시스템
물에 이산화탄소가 용해되면 수소이온과 탄산수소이온이 생성되는 반응을 이용해 전기와 수소를 생산하는 시스템입니다. 수소 이온이 생성되면서 물이 산성으로 변하면 아연금속에 있던 전자를 끌어당기는 힘이 생겨 전자가 도선을 통해 이동하는 전류(전기)가 만들어지고 수소이온은 전자를 만나 환원되면서 수소 기체가 됩니다. 수계는 물을 의미합니다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태·백종범 교수팀은 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했습니다. 이 촉매를 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 '수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO₂ system)'에 적용하면 수소를 쉽고 빠르게 얻을 수 있습니다. 개발된 촉매는 이산화탄소가 녹아 있는 '탄산 환경'에서도 잘 작동할 뿐만 아니라 저렴한 재료를 이용해 간단한 공정으로 합성 가능해 상용화 가능성도 높습니다. 해당 연구는 <Journal of Materials Chemistry>에 게재됐습니다.
물에 녹은 이산화탄소에서 수소 발생 높이려면
'수계 금속-이산화탄소 시스템'은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 이용해 수소와 전기를 생산하는 시스템입니다. 앞서 김건태 교수 연구팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 현상에 착안해 수계 금속-이산화탄소 시스템 개발했습니다. 이 시스템에서는 이산화탄소(CO2)가 물(H2)에 녹아 생기는 수소이온(양성자, H+)이 전기화학적 반응을 통해 환원돼 수소가 만들어집니다.
이 때 전기화학 반응에 필요한 에너지를 장벽을 낮추기 위해 촉매를 사용하는 데 기존의 금속-이산화탄소 시스템에는 백금(Pt) 등의 귀금속 계열 촉매가 활용됐습니다. 고가의 귀금속 계열 촉매의 대안으로 다양한 금속 산화물 및 탄소 촉매들이 제시됐으나 이 촉매들은 이산화탄소가 포화 된 환경에서 수소 발생 활성도가 낮았습니다.
김건태·백종범 교수 공동 연구팀은 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었습니다. 루테늄 금속 (Ru)과 다공성 탄소 지지체(PSC)가 결합된 '루테늄 탄소 복합 촉매(CF-Ru@PSC)'는 이산화탄소가 포화(saturated)된 전해질에서도 백금 촉매 만큼 우수한 수소 발생 반응 활성도와 1000시간의 구동에도 높은 안정성을 보였습니다. 탄소지지체에 붙은 카르복실(COOH) 작용기가 루테늄을 지지체에 더 단단히 고정시키는 '중간매개체' 역할을 하기 때문입니다. 쓰임을 다한 카르복실 작용기는 가열해 쉽게 제거 할 수 있습니다.
제1 저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "카르복실기가 사라지고 나면 루테늄 금속과 탄소 지지체의 강한 결합이 일어나는데 여기서 추가적인 촉매 반응이 일어나 이산화탄소가 포함된 전해질에서도 수소 발생 반응 활성도가 높다"고 설명했습니다.
이번에 개발된 촉매는 제조 공정도 간단해 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 저렴한 루테늄 금속과 탄소 원료를 사용해 가격이 기존 백금촉매의 1/10수준으로 저렴합니다. 김건태 교수는 "수계 금속-이산화탄소 시스템에 백금 대신 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것"이라며 "이번 연구를 통해 차세대 전극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다"고 연구 의의를 밝혔습니다.
##참고자료##
