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귀금속 촉매 대체 가능한 니켈-코발트 기반 물 분해 촉매 제작
니켈-코발트 금속염의 수열합성 후 전도성 높은 탄소로 감싸 전극에서 먼 곳까지 높은 전압 전달할 수 있는 나노선 복합체 만들어
[431호] 2017년 03월 14일 (화) 김승후 기자 mind9063@kaist.ac.kr

  기계공학과 오일권 교수 연구팀이 값비싼 백금 등 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 기반의 친환경 물 분해 기술을 개발했다. 배석후 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 학술지 <어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials> 1월 자 표지논문에 게재됐다.

값싼 물 분해 촉매 개발 연구 활발해

  수소 에너지의 상용화는 가장 주목받는 이슈 중 하나로 특히 순수한 수소를 다량 확보할 수 있는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 수소에너지의 발전 방식은 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 방법이다. 이 방식은 공해 없이 친환경적으로 순수한 수소를 생산할 수 있다.

  하지만 기존의 방식은 귀금속 촉매의 사용이 필수적이었기 때문에 비용이 많이 들어 상용화에 어려움이 있었다. 특히 산소가 발생하는 플러스 전극에는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 귀금속 촉매가 필요하고, 수소가 발생하는 마이너스 전극에는 백금이 필요하다. 이에 연구팀은 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 비교적 저렴한 재료의 촉매를 개발해 상용화하고자 했다.

나노선 복합체 만들어 성능 개선

  연구팀은 이를 위해 플러스 전극에 사용되는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 금속 기반의 화합물 촉매를 제작했다. 그러나 니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 가격이 저렴하지만 이리듐 및 루테늄 산화물 촉매에 비해 높은 전압을 필요로 하는 등 상대적으로 낮은 성능으로 인해 실제 전기 분해에 적용되지는 못했다. 연구팀은 문제 해결을 위해 수열합성* 방식을 적용했다. 니켈-코발트 금속염을 물에 녹인 뒤 이를 수열합성해 전극과 촉매 사이의 표면적을 넓힌 나노선 복합체를 만들어 낮은 성능 문제를 개선했다.

탄소층으로 둘러싸 전기 전도성 높여

  물의 전기 분해 효율을 높이기 위해서는 촉매의 성능을 높이는 것이 가장 직접적인 방법이지만, 이는 한계가 있다. 따라서 연구팀은, 추가적인 수열합성을 통해 촉매 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 감쌌다. 전도성이 높은 탄소층으로 둘러싸인 이중 나노선 복합체는 기존의 나노선 복합체보다 전하 전달 능력이 극대화되었다.

  촉매의 전도성이 높으므로 전압이 걸리는 전극 부분에서 멀리 떨어진 곳까지도 전압이 일정하게 유지된다. 기존의 나노선 복합체는 원뿔 모양의 구조 때문에 종횡비**가 크다. 그래서 전압을 걸어주는 앞쪽 전극 부분은 전압이 높게 유지되지만, 전극에서 멀어질수록 전압이 낮아졌다. 이런 한계 때문에 전극에 더 높은 전압이 걸려야 나노선 전체에서 반응이 일어날 수 있었다. 이때 필요한 전압을 과전압이라 하는데, 과전압을 줄여야 더 경제적인 물 분해 촉매를 개발할 수 있다. 연구팀은 실험을 통해 이중 나노선 복합체의 과전압이 크게 낮아졌고 오랜 시간 반응시켜도 그 성능이 크게 떨어지지 않음을 보였다.

  촉매 전극의 기판과 물질을 동종 탄소계 물질로 구성하여 그 성능을 극대화 시킬 수 있음을 최초로 보인 것이 이번 연구의 큰 성과다. 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 수소의 대량 생산 및 수소에너지 상용화에 기여할 것으로 기대된다. 오 교수는 “생산 과정이 간단하고 대량 생산이 가능하며 성능 또한 기존 귀금속 촉매에 뒤지지 않는다”라며 “이번 연구를 통해 물을 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것이다”고 연구의 의의를 전했다.

   

▲ 이중 나노선 복합체 촉매의 구조

(a) 두 차례의 수열 합성을 통해 만들어진 나노선 복합체의 전체 모형
(b) 나노선을 탄소층으로 둘러싸고 있는 한 개의 나노선 복합체 촉매

수열합성*
  액상합성법의 하나로 고온고압 하에서 물 또는 수용액을 이용 하여 물질을 합성하는 과정을 총칭함.

종횡비**
  가로세로비. 2차원 모형에서 긴 축과 짧은 축의 길이에 대한 비율을 말함.

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