백금보다 값싸고 오래가는 수소 촉매 나왔다

KIST, 수전해장치 비백금계 촉매 개발
저가 인화몰리브덴에 티타늄 미량 도핑
15일간 실험에서 초기 성능 그대로 유지
비백금계 촉매 대비 내구성 26배 향상

티타늄 도핑된 인화 몰리브덴의 수소 발생 반응 메커니즘 모식도. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 물을 전기분해해 수소를 만들때 쓰는 새로운 촉매를 개발했다. 이 촉매는 수소 생산 효율을 향상시켰을 뿐만 아니라 비백금촉매의 한계였던 내구성을 극복, 장기적 안정성을 확보했다고 연구진은 설명했다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 물로 수소를 만드는 장치에 쓰이는 전이금속 소재 촉매를 개발했다.

유성종 박사는 "전이금속계 촉매 기반 수전해 장치의 최대 걸림돌이었던 안정성 향상으로 친환경 수소에너지 생산 기술의 상용화를 한 발 더 앞당기는 데 기여하기를 바란다"고 말했다.

연구진이 개발한 촉매는 기존의 비백금계 촉매 대비 내구성이 26배 향상됐다.

이 촉매를 이용해 15일간 실험한 결과 초기 성능을 유지했다.

합성 과정에서 각 재료의 전자구조가 완전히 재구성됐다. 그결과 수소발생반응의 활성도가 백금계 촉매와 동등한 수준이라고 연구진은 밝혔다. 전자구조의 재구성에 따라 전이금속계 소재의 고질적인 한계로 지적되던 높은 부식성을 개선한 것이다.

연구진은 저가의 전이금속인 인화 몰리브덴(MoP)에 스프레이 열분해 공정으로 소량의 티타늄을 주입했다. 스프레이 열분해는 가습기 또는 노즐을 이용해 전구체를 액체 방울로 만들고 이를 고온의 전기로를 통과시켜 분말을 얻는 공정을 말한다. 몰리브덴은 값이 싸고 비교적 다루기 쉬워 에너지 전환 및 저장장치의 촉매 재료로 사용되고 있지만, 산화에 취약해 쉽게 부식되는 게 단점이 있다.

이번 연구결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 학술지인 '나노 에너지' 최신호에 게재됐다.

상단 사진은 티타늄 도핑된 인화 몰리브덴의 구조와 수소 발생점을 나타냈다. 하단 그래프는 수소 발생 반응에 대한 활성과 15일간의 촉매 안정성 평가결과다. KIST 제공

한편 수소전기차로 대표되는 수소경제 활성화의 핵심은 전기를 생산하기 위한 수소를 저렴한 가격에 생산하는 것이다. 수소를 생산하는 방법은 화학·제철 산업 공정에서 부가적으로 발생하는 부생수소 포집, 천연가스 같은 탄화수소 연료를 개질기에 통과시켜 수소를 얻는 화석연료 개질 등이 있다.

그중 친환경적 방법인 '물의 전기분해'인 수전해 방식에서 수소발생반응을 촉진하는 역할을 하는 촉매는 수소경제의 효율과 가격 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 요소다. 하지만 수전해 장치에서는 수소발생반응 활성과 장기 내구성에서 어떤 물질과도 비교할 수 없을 만큼 좋은 성능을 보이는 고가의 백금(Pt) 촉매를 필수적으로 사용해야 해 다른 방법들만큼 가격경쟁력을 확보할 수 없었다.

수전해 장치는 물에 녹아 전류를 흐르게 해주는 전해질에 따라 다양한 종류가 있다. 이 가운데 고분자 전해질막 기반 수전해 장치는 고가의 백금계 촉매가 아닌 전이금속 소재의 촉매에서도 수소발생반응이 활성이 높아 상용화 연구가 집중되고 있다.

하지만 활성을 끌어올리는 데 연구가 집중되는 사이 전기화학적 환경 속에서 쉽게 부식되는 전이금속 소재의 내구성을 높이는 연구는 상대적으로 등한시되고 있다.

[e-mail] 김만기 기자