UNIST, 루테늄 2% 고효율 수전해 촉매 개발 | 종합

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UNIST, 루테늄 2% 고효율 수전해 촉매 개발

투어코리아

투어코리아=김교환 기자 울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 귀금속 루테늄을 2%만 넣고도 상용 백금 촉매보다 적은 전력으로 수소를 만드는 수전해 촉매를 개발했다.

유니스트는 에너지화학공학과 백종범·권영국 교수팀이 고려대학교 곽상규 교수팀과 공동으로 철 원자와 루테늄 입자가 수소 생산 반응을 나눠 맡는 '분업형' 수전해 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 지난 9월 10일 온라인 게재됐다.

수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 얻는 기술로, 재생에너지 전력을 쓰면 탄소 배출 없는 그린수소를 생산할 수 있다. 다만 전력 소모가 커 생산 단가가 높다는 점이 상용화의 걸림돌로 꼽혀 왔다.

특히 알칼리성 전해액을 쓰는 방식에서는 물 분자에서 수소 원자를 떼어내는 첫 단계가 느려 전체 효율을 떨어뜨린다. 연구팀은 이 병목 구간을 값싼 철 원자에 맡기고, 떨어진 수소 원자를 결합해 기체로 내보내는 일은 루테늄 입자가 담당하도록 촉매를 설계했다.

그 결과 과전압은 13.8mV로 상용 백금 촉매(29.4mV)의 절반 이하로 낮아졌다. 과전압이 낮을수록 같은 양의 수소를 만드는 데 드는 전기가 줄어든다. 귀금속 무게당 활성도 백금 촉매의 약 6.5배에 달했다.

차세대 방식인 음이온교환막 수전해 셀에 적용한 실험에서는 산업용 수준 전류(1.0A/㎠)를 1.66V에서 구현했다. 같은 조건에서 백금 촉매는 1.93V가 필요했다. 1100시간 이상 연속 운전에도 성능 저하는 거의 없었다. 연구팀은 그간 보고된 유사 장치 중 가장 낮은 전압과 1000시간 이상 수명을 동시에 충족한 사례라고 설명했다.

제조 공정도 단순하다. 흑연 가루와 질소 기체를 쇠구슬과 함께 고속 회전시키면 쇠구슬에서 갈려 나온 철이 탄소 표면에 원자 단위로 박히고, 여기에 루테늄을 얹으면 완성된다. 용매나 별도 철 원료가 필요 없어 한 번에 10g 이상을 균일하게 만들 수 있다.

이번 성과는 귀금속 의존도를 낮추면서 대량 합성과 장기 안정성을 함께 확인했다는 점에서 의미가 있다.

유니스트 백종범 교수는 "흔한 철 원자와 극소량의 귀금속이 협력하도록 설계해 알칼리 수전해의 오래된 속도 한계를 넘어섰다"며 "대량 생산이 쉽고 실제 장치에서 장기 안정성까지 확인한 만큼 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 '알칼라인 수전해 국가수소중점연구실'의 지원으로 수행됐다.