수소전기차로 대표되는 수소경제 활성화의 핵심은 수소를 저렴한 가격에 생산하는 겁니다. 수소를 생산하는 방법은 부생수소 포집, 화석연료 개질, 수전해 등이 있습니다. 수생수소 포집이란 석유화학 및 제철 산업 등의 공정에서 부가적으로 발생하는 수소를 포집하는 방법입니다. 반면 화석연료 개질은 천연가스 같은 탄화수소 연료를 개질기에 통과시켜 수소를 얻는 방법을 말합니다.
그중 친환경적 방법인 '물의 전기분해'인 수전해 방식에서 수소발생반응을 촉진하는 역할을 하는 촉매는 수소경제의 효율과 가격 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 하지만 수전해 장치에서는 수소발생반응 활성과 장기 내구성에서 어떤 물질과도 비교할 수 없을 만큼 좋은 성능을 보이는 고가의 백금(Pt) 촉매를 필수적으로 사용해야 해 다른 방법들만큼 가격경쟁력을 확보할 수 없었습니다.
수전해 장치는 물에 녹아 전류를 흐르게 해주는 전해질에 따라 다양한 종류가 있습니다. 이 가운데 고분자 전해질막(Proton exchange membrane, PEM) 기반 수전해 장치는 고가의 백금계 촉매가 아닌 전이금속 소재의 촉매에서도 수소발생반응이 활성이 높아 상용화 연구가 집중되고 있습니다. 하지만 활성을 끌어올리는 데 연구가 집중되는 사이 전기화학적 환경 속에서 쉽게 부식되는 전이금속 소재의 내구성을 높이는 연구는 상대적으로 등한시됐습니다.
전이금속 촉매 개발했다
한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀이 백금을 사용하지 않고 수소 생산 효율을 향상시키고 비백금촉매의 한계였던 내구성 문제를 극복해 장기적 안정성을 확보한 전이금속 소재의 촉매를 개발했다고 밝혔습니다. 참고로 전이금속이란 원자의 전자배치에서 최외부의 d 오비탈이 불포화이거나, 불포화인 이온을 만드는 원소로 주기율표의 3족에서 12족 원소가 모두 포함됩니다.
KIST 유성종 박사팀은 저가의 전이금속인 인화 몰리브덴(MoP)에 스프레이 열분해(spray pyrolysis) 공정을 통해 소량의 티타늄을 주입했는데요. 스프레이 열분해(spray pyrolysis)란 가습기 또는 노즐을 이용해 전구체를 액적으로 만들고 이를 고온의 전기로를 통과시켜 분말을 얻는 공정입니다.
몰리브덴은 값이 싸고 비교적 다루기 쉬워 에너지 전환 및 저장장치의 촉매 재료로 사용되고 있지만, 산화에 취약하여 쉽게 부식되는 게 단점이었습니다. KIST 연구팀이 개발한 촉매는 합성 과정에서 각 재료의 전자구조가 완전히 재구성되며 수소발생반응의 활성도가 백금계 촉매와 동등한 수준을 보이는 것으로 확인됐습니다. 특히, 전자구조의 재구성에 따라 전이금속계 소재의 고질적인 한계로 지적되던 높은 부식성을 개선해 기존 촉매 대비 내구성이 26배 향상시켰습니다. 비백금계 촉매의 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 보입니다.
KIST 유성종 박사는 "이번 연구는 전이금속계 촉매 기반 수전해 장치의 최대 제약이었던 안정성을 향상한 것에 의의를 찾을 수 있다"며 "전이금속계 촉매의 수소생산 효율을 백금 촉매 수준으로 끌어올림과 동시에 안정성을 동시에 향상시킨 이번 연구가 친환경 수소에너지 생산 기술의 상용화를 한 발 더 앞당기는 데 기여하기를 바란다"고 밝혔습니다.
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