울산과학기술원, 수소 고효율 촉매 개발

김명화 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2020-03-18 23:02:32
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▲ 물 분해용 수소 촉매 Ru@MWCNT 합성 모식도. <울산과학기술원 제공>

 

[환경미디어= 김명화 기자] 친환경 에너지 ‘수소’를 보다 값싸게 얻을 수 있는 촉매를 개발함과 동시에 이를 실용화할 수 있는 연구 결과가 나왔다. 


울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀이 루테늄(Ru)과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 결합한 물 분해용 수소 촉매 ‘Ru@MWCNT’를 개발했다고 18일 밝혔다.
수소는 우주 질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소로 친환경 미래자원으로 주목받는다. 하지만 현재 수소 생산은 대부분 천연가스 등의 화석 연료를 원료로 삼아 생산과정에서 오염물질이 배출된다. 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 얻는 방법이 대안으로 제시되지만, 이 경우 백금처럼 값비싼 촉매가 필요하다.

이에 연구진은 백금 촉매를 대체할 수 있도록 성능이 우수하고 저렴한 수소 촉매를 꾸준히 개발해왔다.
이번에 개발한 Ru@MWCNT 촉매는 그동안 발표한 금속 유기체 촉매보다 우수한 전기화학적 특성을 보였다. 과전압은 기존 촉매 중 가장 낮았으며, 물의 산성·염기도에도 크게 영향을 받지 않았다.

새 촉매는 단일한 벽을 가진 탄소나노튜브(CNT)가 서로 중첩된 형태에 작은 루테늄 입자가 고르게 분포된 구조다. 우수한 성능은 루테늄 입자가 작고 고르게 분포한 덕분인데, 연구진은 이를 위한 제조공정도 개발했다. 


연구진은 새로운 촉매의 성능 평가를 위해 기존 과전압 측정 외에 ‘물 분해 시스템’ 전극으로 만들어 평가하는 방법도 진행했다. 이 촉매를 전극으로 사용했을 때 수소 발생량을 실제로 측정해본 것이다. 


그 결과, 같은 조건에서 상용화된 백금 촉매(Pt/C)보다 15.6% 많은 수소를 생산했다. 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율도 92.2%로 백금 촉매(85.9%)보다 높았다. 


이번 연구는 새롭고 우수한 촉매를 개발했을 뿐 아니라, 상업화에 필요한 실제 전극의 평가 방법을 제시했다는 평을 받는다. 특히, 합성법이 간단한 새 촉매는 대량 생산에도 적합해 실용화를 앞당길 것으로 기대된다. 


백종범 교수는 “이번 연구는 촉매 자체의 우수성뿐 아니라 실제 적용했을 때 성능까지 짐작해볼 수 있다는 점에서 뜻깊다”며 “다른 촉매도 상용화 관점에서 진단해볼 수 있을 것”이라고 말했다. 


과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부·한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 창의소재발견프로그램 지원으로 이뤄진 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 3월 9일자로 공개됐다. 교신 저자로는 백 교수와 금속유기물 촉매를 함께 연구해 온 자비드 마흐무드 UNIST 연구교수가 참여했다.

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