개발한 전기촉매 결정 구조 및 물 분해 과정 (왼쪽) 개발한 촉매 합금의 결정 구조. 표면에 산소(붉은색)을 부착했다. (오른쪽) 전기 물 분해 반응을 통해 산소와 수소를 발생시킨다.(사진제공:IBS)© 뉴스1

기초과학연구원(이하 IBS) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진이 원가 대비 20배 싸면서 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다.

이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다.

24일 IBS에 따르면 수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해더.

물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 것이다.

이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 됐다.

생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg당 7만달러가 넘는데다 24시간 이상 지속되기도 어려웠다.

연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru) 위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했다.

개발한 고효율 전기촉매 성능 평가(사진제공:IBS)© 뉴스1

이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다.

높은 성능의 촉매를 만들기 위해서는 속도 결정 단계가 중요하다.

연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH(흡착 분자) 산소생산과정의 중를 안정화시킬 것이라고 판단, 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다.

그 결과 촉매 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 산소 발생량이 가장 높다는 사실을 확인했다.

여기에 루테늄 원자를 더해 속도 결정단계에서 에너지 장벽을 줄이고, 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다.

연구참여자들(왼쪽부터)아쉬와니 쿠마 연구원, 이효영 부연구단장, 이진선 연구원© 뉴스1

이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많았고, 훨씬 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다.

또, 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다.

기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었지만, 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 돼 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했다.

이효영 부연구단장은 “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학'11월4일자 온라인판에 게재됐다.