UNIST 김광수 교수팀, 극소량 에너지로 '수소 고효율 촉매' 개발

기자정보, 기사등록일
(울산) 박동욱 기자
입력 2019-07-30 12:02
    도구모음
  • 글자크기 설정
  • 반응속도·전도도 높여…에너지 분야 권위 학술지 7월 표지 논문에 선정

울산과기원 김광수 교수 연구팀이 기념촬영하고 있는 모습. (우측 세번째 김광수 교수)[사진=유니스트 제공]

수소는 화석연료를 대체할 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있지만, 생산에 너무 많은 에너지가 들면 전체 효율이 떨어진다.

이를 극복하고 에너지 효율을 극대화하기 위해 '적은 양의 에너지로 수소를 얻기 위한 연구'가 세계적으로 진행되고 있는 가운데 울산과학기술원에서 이론적인 극한값에 근접한 극소량 에너지로 수소를 생성하는 전기 촉매가 개발돼 관심을 끌고 있다. 

UNIST는 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함자리에 ‘루테늄(Ru) 단일원자’와 ‘질화된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’들이 혼성된 새로운 촉매이다.

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

연구팀은 수소발생반응을 활성화시키는 능력이 탁월하면서도, 산성과 염기성 용액 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아낸 덕분이다. 또 구(球) 모양의 탄소 구조체인 풀러렌을 이용해 촉매를 감싸면서 안정성을 더했다.

이론적 계산에 따르면, 루테늄(Ru) 원자 1개가 평면상에서 질소(N) 원자 2개와 탄소 원자 2개를 이웃으로 두는 배치를 가지면(Ru-N₂C₂) 촉매 활성도가 높아진다. 또 루테늄 단원자와 질화(Nitriding, 질소와 결합한)된 루테늄 나노입자가 섞여 있으면 전기전도성이 커져서 전기화학적 효율과 활성도 반응속도 등이 크게 개선된다.

새로 개발된 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7 ㎷의 과전압을 기록했다. 과전압이 낮을수록 수소 생성에 드는 에너지 소비가 적은 효율적인 촉매가 된다. 새로운 촉매는 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율이 100%에 가까웠다.

김광수 교수는 “새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”며 “액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소발생반응을 촉진하는 촉매로 사용 가능할 것”이라고 설명했다. 

이 연구는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’의 7월호 표지 논문으로 출판됐다. 연구수행은 한국연구재단과 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 지원으로 이뤄졌다.

©'5개국어 글로벌 경제신문' 아주경제. 무단전재·재배포 금지

컴패션_PC
0개의 댓글
0 / 300

로그인 후 댓글작성이 가능합니다.
로그인 하시겠습니까?

닫기

댓글을 삭제 하시겠습니까?

닫기

이미 참여하셨습니다.

닫기

이미 신고 접수한 게시물입니다.

닫기
신고사유
0 / 100
닫기

신고접수가 완료되었습니다. 담당자가 확인후 신속히 처리하도록 하겠습니다.

닫기

차단해제 하시겠습니까?

닫기

사용자 차단 시 현재 사용자의 게시물을 보실 수 없습니다.

닫기
실시간 인기
기사 이미지 확대 보기
닫기