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물을 전기로 분해해 수소를 생산하려면 전기화학 반응이 일어나기 위해 필요한 에너지를 낮추는 촉매가 꼭 필요하다. 귀금속인 백금(Pt)을 대체할 촉매에 관한 연구가 활발한 가운데, 저렴한 탄소화합물과 루테늄(Ru)금속을 이용해 우수한 안정성을 보이는 촉매를 개발한 연구 결과가 나왔다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 김건태·곽상규·백종범 교수팀은 물 전기 분해와 같은 전기화학 반응에서 산도(pH)를 가리지 않고 안정성이 뛰어난 루테늄 기반 촉매를 개발했다. 백금 촉매의 경우 염기성 전해질에서 내구성이 떨어지는데, 이번에 개발된 촉매는 산성과 염기성뿐만 아니라 중성 용액에서도 잘 작동하기 때문에, 이산화탄소를 포집하고 수소와 전기를 생산하는 ‘수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템’(Aqueous Zn-CO₂ system)’에도 적용 할 수 있다. 수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템은 김건태 교수팀이 이전 연구에서 개발한 시스템으로 수용액 내부는 이산화탄소가 포화된 중성 상태이다.  

순수한 물은 전기가 통하지 않기 때문에 전기화학 반응을 일으키기 위해서 염기성이나 산성 전해질을 첨가한다. 촉매는 이 때 반응에 필요한 에너지 줄여주는 물질이다. 소모되는 에너지를 많이 줄여줄수록 효율적인 촉매이다. 하지만 물 분해와 같은 각종 전기화학반응을 상업적으로 이용하려면 효율성과 더불어 장시간 동안 작동할 수 있는 내구성을 갖춘 촉매가 필요하다. 많이 사용되는 백금의 경우 효율은 높지만 염기성에서 쉽게 부식(산화)돼 내구성이 떨어진다.

공동 연구팀은 루테늄 금속을 2차원 탄소 물질인 ‘그래핀’의 ‘에지(edge)’에만 선택적으로 결합(환원)시키는 방법을 이용해 효율은 높으면서도 전 범위의 산도(pH)에서 내구성이 강한 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 루테늄을 그래핀 가장자리에만 결합 시키는 방식을 이용해 그래핀 지지체 평면(basal plane)이 손상되는 것을 막아 효율과 내구성 모두 높다. 루테늄 금속을 지지해 주는 역할을 하는 그래핀의 ‘가장자리’ 부분인 ‘에지’에만 질소를 도핑(doping)하면, 루테늄이 질소를 따라 에지에만 결합하는 현상을 이용했다. 질소는 전자를 받으려는 성질이 강하고 루테늄은 전자를 주려는 성질이 강하기 때문이다.

제1저자인 양예진 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “금속과의 뛰어난 결합력을 가지는 에지(edge)를 이용해, 모든 수계 환경에서 안정적인 성능을 보이는 다 ‘Ru-ENG’(Edge-selective Nitrogenated Graphitic Nanoplates) 촉매를 개발했다”고 설명했다.

그림2. 물 전기 분해 및 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 촉매의 장기 구동 성능

이번에 개발된 촉매를 물 전기 분해 시스템과 수계 금속–이산화탄소 시스템에 적용한 결과 우수한 수소 발생 반응성과 내구성을 확인했다. 특히 물 전기 분해 시스템에서는 산도에 관계없이 1,500시간 동안 시간 작동했다. 공동 제 1저자 김정원 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “실험 결과 수계 금속–이산화탄소 시스템에서 수소 발생 효율을 알 수 있는 전류밀도 값도 백금보다 높았다”고 덧붙였다.

김건태 교수는 “선택적 도핑을 통해 가격도 저렴하고 중성을 포함한 모든 산도에서 우수한 성능을 보이는 촉매를 개발했다”며 “이번에 개발된 촉매 구조는 이산화탄소가 포화된 중성 환경에서도 잘 작동하기 때문에 물 전기 분해 시스템뿐만 아니라 수계 금속–이산화탄소 시스템의 상용화에도 큰 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy)에 7월 6일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF) 등 지원으로 이뤄졌다.