산·염기 안 가리는 튼튼한 수소 발생 촉매
산·염기 안 가리는 튼튼한 수소 발생 촉매
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.24 14:30
  • 조회수 747
  • 댓글 0
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물을 전기로 분해해 수소를 생산하려면 전기화학 반응이 일어나기 위해 필요한 에너지를 낮추는 촉매가 꼭 필요합니다. 귀금속인 백금(Pt)을 대체할 촉매에 관한 연구가 활발한 가운데 저렴한 탄소화합물과 루테늄(Ru)금속을 이용해 우수한 안정성을 보이는 촉매를 개발한 연구 결과가 나왔습니다. 

요즘 대세는 수소, 수소, 수소! 출처: AdobeStock
수소, 수소, 수소! 출처: AdobeStock

UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태·곽상규·백종범 교수팀은 물 전기 분해와 같은 전기화학 반응에서 산도(pH)를 가리지 않고 안정성이 뛰어난 루테늄 기반 촉매를 개발했습니다. 백금 촉매의 경우 염기성 전해질에서 내구성이 떨어지는데 이번에 개발된 촉매는 산성과 염기성뿐만 아니라 중성 용액에서도 잘 작동하합니다. 덕분에 이산화탄소를 포집하고 수소와 전기를 생산하는 '수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO₂ system)'에도 적용 할 수 있습니다. 수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템은 김건태 교수팀이 이전 연구에서 개발한 시스템으로 수용액 내부는 이산화탄소가 포화된 중성 상태입니다. 
 

  • 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.

루테늄 기반 촉매 개발하다 

 

순수한 물은 전기가 통하지 않기 때문에 전기화학 반응을 일으키기 위해서 염기성이나 산성 전해질을 첨가합니다. 촉매는 이 때 반응에 필요한 에너지 줄여주는 물질입니다. 소모되는 에너지를 많이 줄여줄수록 효율적인 촉매입니다. 하지만 물 분해와 같은 각종 전기화학반응을 상업적으로 이용하려면 효율성과 더불어 장시간 동안 작동할 수 있는 내구성을 갖춘 촉매가 필요합니다. 많이 사용되는 백금의 경우 효율은 높지만 염기성에서 쉽게 부식(산화)돼 내구성이 떨어집니다.

물 전기 분해 및 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 촉매의 장기 구동 성능:상용 Pt 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능 및 안정성을 보임 (수전해 1500 h 이상, 금속-이산화탄소 600 m 이상). 출처:UNIST
물 전기 분해 및 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 촉매의 장기 구동 성능:상용 Pt 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능 및 안정성을 보임 (수전해 1500 h 이상, 금속-이산화탄소 600 m 이상). 출처:UNIST

공동 연구팀은 루테늄 금속을 2차원 탄소 물질인 '그래핀'의 '에지(edge)'에만 선택적으로 결합(환원)시키는 방법을 이용해 효율은 높으면서도 전 범위의 산도(pH)에서 내구성이 강한 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했습니다. 루테늄을 그래핀 가장자리에만 결합 시키는 방식을 이용해 그래핀 지지체 평면(basal plane)이 손상되는 것을 막아 효율과 내구성 모두 높습니다. 루테늄 금속을 지지해 주는 역할을 하는 그래핀의 '가장자리' 부분인 '에지'에만 질소를 도핑(doping)하면, 루테늄이 질소를 따라 가장 자리 부분에만 결합하는 현상을 이용했습니다. 참고로 도핑은 순수한 물질에 불순물을 첨가하는 것을 말하는데요. 이번 실험에서 순수하게 탄소 원자로 이뤄진 그래핀의 가장 자리(edge)에 질소를 도핑했습니다. 질소는 전자를 받으려는 성질이 강하고 루테늄은 전자를 주려는 성질이 강하기 때문입니다. 

루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도. 출처: UNIST
루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도. 출처: UNIST

제1저자인 양예진 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "금속과의 뛰어난 결합력을 가지는 에지(edge)를 이용해, 모든 수계 환경에서 안정적인 성능을 보이는 다 'Ru-ENG(Edge-selective Nitrogenated Graphitic Nanoplates)' 촉매를 개발했다"고 설명했습니다.

루테늄 및 탄소 지지체 촉매 전기화학 성능 분석. 출처: UNIST
루테늄 및 탄소 지지체 촉매 전기화학 성능 분석. 출처: UNIST

산도 관계없이 작동했다

 

이번에 개발된 촉매를 물 전기 분해 시스템과 수계 금속-이산화탄소 시스템에 적용한 결과 우수한 수소 발생 반응성과 내구성을 확인했습니다. 특히 물 전기 분해 시스템에서는 산도에 관계없이 1,500시간 동안 시간 작동했습니다. 공동 제 1저자 김정원 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "실험 결과 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 수소 발생 효율을 알 수 있는 전류밀도 값도 백금보다 높았다"고 덧붙였습니다.

루테늄 및 탄소 지지체 촉매 수소 발생 활성 위치(반응 위치) 분석. 출처: UNIST
루테늄 및 탄소 지지체 촉매 수소 발생 활성 위치(반응 위치) 분석. 출처: UNIST

김건태 교수는 "선택적 도핑을 통해 가격도 저렴하고 중성을 포함한 모든 산도에서 우수한 성능을 보이는 촉매를 개발했다"며 "이번에 개발된 촉매 구조는 이산화탄소가 포화된 중성 환경에서도 잘 작동하기 때문에 물 전기 분해 시스템뿐만 아니라 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화에도 큰 도움이 될 것"이라고 기대했습니다.  이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 <Nano Energy>에 게재됐습니다.

김건태 교수, 양예진 연구원, 백종범 교수, 김정원 연구원. 출처: UNIST
김건태 교수, 양예진 연구원, 백종범 교수, 김정원 연구원. 출처: UNIST

##참고자료##

 

  


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