아주 적은 에너지로 수소 만든다
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아주 적은 에너지로 수소 만든다
  • 정종오 기자
  • 승인 2019.07.30 12:00
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유니스트 연구팀, 고효율 촉매 개발
루테늄 기반 촉매 모식도.[사진=유니스트]
루테늄 기반 촉매 모식도.[사진=유니스트]

매우 적은 에너지로 수소를 만들 수 있는 기술이 나왔다. 고효율 촉매를 이용해 수소 생산 효율을 높일 수 있게 됐다. 국내 연구팀이 단일 원자를 이용한 루테늄 촉매 합성에 성공했다. 수소는 화석 연료를 대체할 미래 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 수소 생산에 너무 많은 에너지가 들면 전체 효율이 떨어진다. 이를 극복하고 에너지 효율을 극대화하기 위해서는 '적은 양의 에너지로 수소를 얻기 위한 연구'가 세계적으로 진행되고 있다.

국내 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다. 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함 자리에 ‘루테늄(Ru) 단일 원자’와 ‘질화된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’들이 혼성된 새로운 촉매이다.

현재 백금 기반 촉매는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 가장 효율적 촉매다. 백금은 비싸고 희귀한 물질이기 때문에 이를 대체하면서 상업적으로 활용 가능한 물질이 꾸준히 개발되고 있다. 지금까지 보고된 촉매의 효율은 백금과 비슷한 수준인 데다 산성이나 염기성 매질 중 한쪽에서 성능이 떨어지거나 내구성이 낮아졌다.

연구팀은 수소 발생 반응을 활성화하는 능력이 탁월하면서도 산성과 염기성 용액 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학 계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아낸 덕분이다.

새로 개발된 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한다고 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7㎷의 과전압을 기록했다. 과전압이 낮을수록 수소 생성에 드는 에너지 소비가 적은 효율적 촉매를 뜻한다.

이번 연구는 유니스트(UNIST) 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수(국가과학자) 연구팀이 수행했다.

김광수 교수는 “새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”며 “액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소 발생 반응을 촉진하는 촉매로 사용할 수 있다”고 설명했다.

연구결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’의 7월호 표지 논문(논문명: High-performance hydrogen evolution by Ru single-atoms and nitrided-Ru nanoparticles implanted on N-doped graphitic sheet)으로 출판됐다.

정종오 기자  science@greened.kr

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