수소가 친환경 미래 연료로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문입니다. 그런데 물 분해는 생산단가가 높아, 대부분의 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 얻고 있습니다. 즉 물 분해의 높은 비용 때문에 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 있었던 겁니다. 

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진은 원가가 20배 싸면서 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했습니다. 이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Energy & Environmental science>에 게재됐습니다. 

싸고 오래가는 촉매

수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해입니다. 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 겁니다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 됐습니다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO₂)과 이리듐 산화물(IrO₂)이 쓰이지만, 가격이 1kg 당 7만 달러가 넘는데다 24시간 이상 지속되기도 어려웠습니다. 

연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했습니다. 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였습니다. 높은 성능의 촉매를 만들기 위해서는 속도 결정 단계가 중요합니다. 전기분해 과정에서 산소는 4단계를 거쳐 만들어진다. 이 중 산소 발생 직전 단계인 OOH는 안정화가 어려워 다음 단계인 산소 발생 효율이 낮았습니다. OOH* 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH*가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 됩니다. 

연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH*를 안정화시킬 것이라고 예상했습니다. 이에 따라 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했습니다. 그 결과 촉매 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 높음을 확인했습니다. 여기에 루테늄 원자를 더해 속도 결정단계에서 에너지 장벽을 줄이고, 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였습니다.

이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많았고, 훨씬 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었습니다. 산소 발생속도가 빠를수록 전류밀도가 증가하는데, 기존 산화 루테늄(RuO2)은 제곱센티미터 당 10 밀리암페어(mA/cm²)의 전류 밀도를 얻기 위해 298 밀리볼트(mV)을 필요로 했습니다. 반면 연구진이 개발한 전기촉매는 180 밀리볼트가 필요합니다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율이 높다는 뜻이죠.

또한 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었습니다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었습니다. 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 되어 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했습니다.

이효영 부연구단장은 "물 분해를 통한 친환경 수소를 석유·석탄 부생 수소보다 싼 가격으로 만드는 일은 오랫동안 한계에 직면해 있었다"며 "저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다"고 말했습니다. 

##참고자료##

• Lee, Jinsun, et al. "Stabilizing OOH* intermediate via pre-adsorbed surface oxygen of single Ru atom-bimetallic alloy for ultralow overpotential oxygen generation." Energy & Environmental Science (2020).

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