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UNIST, 온실가스 이산화탄소 없애면서 수소 생산하는 촉매 개발
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UNIST, 온실가스 이산화탄소 없애면서 수소 생산하는 촉매 개발
  • 김수철 기자
  • 승인 2020.06.16 12:42
  • 댓글 0
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백금촉매보다 10배 저렴하고 내구성 높아… JMC A 표지논문 게재
공동교신저자인 마흐무드 연구교수, 제1저자인 김정원 연구원, 교신저자인 김건태 교수(좌측부터)/UNIST

국내 연구진이 이산화탄소를 없애는 동시에 전기와 수소를 생산하는 '수계 금속 -이산화탄소 시스템'의 성능을 높여 줄 촉매를 개발했다. 

이 촉매 개발로 인해 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화 가능성이 더 밝아질 전망이다. 

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 백종법 교수팀은 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다. 

이산화탄소로 인한 기후변화 문제가 심각해지면서 이산화탄소 활용 및 저장기술이 주목받고 있는데, 이 기술은 쓸모없이 버려지는 이산화탄소를 화학적으로 전환해 메탄올이나 유기 화합물, 플라스틱 같은 고부가가치의 생성물을 만들어내는 기술이다. 

하지만 기체 상태의 이산화탄소는 아주 안정적인 상태라서 그 결합을 끊고 다른 물질로 화학적 변환이 어렵다고 한다.

[연구그림] 수계 금속-이산화탄소 시스템 장기 구동 성능 및 이산화탄소 변환/UNIST

연구진은 이 시스템에 촉매를 적용하면 이산화탄소를 이용해 수소를 쉽고 빠르게 얻을 수 있으며, 개발된 촉매가 이산화탄소가 녹아있는 탄산 환경에서도 잘 작동할 뿐만 아니라 저렴한 재료를 이용해 간단한 공정으로 합성 가능해 사용화 가능성도 높다고 설명했다. 

‘수계 금속-이산화탄소 시스템’은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 이용해 수소와 전기를 생산하는 시스템이다.

앞서 김건태 교수 연구팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 현상에 착안해 수계 금속-이산화탄소 시스템 개발했다. 이 시스템에서는 이산화탄소(CO2)가 물(H2)에 녹아 생기는 수소이온(양성자, H+)이 전기화학적 반응을 통해 환원돼 수소가 만들어진다.

이 때 전기화학 반응에 필요한 에너지를 장벽을 낮추기 위해 촉매를 사용하는데, 기존의 금속-이산화탄소 시스템에는 백금(Pt) 등의 귀금속 계열 촉매가 활용됐다. 고가의 귀금속 계열 촉매의 대안으로 다양한 금속 산화물 및 탄소 촉매들이 제시됐으나, 이 촉매들은 이산화탄소가 포화 된 환경에서 수소 발생 활성도가 낮다는 단점이 있었다.

연구팀은 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었다. 

[연구그림]  루테늄 및 탄소 지지체 촉매 수소 발생 활성 위치 분석/UNIST

루테늄 금속(Ru) 과 다공성 탄소 지지체(PSC)가 결합된 ‘루테늄 탄소 복합 촉매 (CF-Ru@PSC)’는 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 백금 촉매 만큼 우수한 수소 발생 반응 활성도와 1000시간의 구동에도 높은 안정성을 보였다.

탄소지지체에 붙은 카르복실(COOH) 작용기가 루테늄을 지지체에 더 단단히 고정시키는 ‘중간매개체’ 역할을 하기 때문이다. 쓰임을 다한 카르복실 작용기는 가열해 쉽게 제거 할 수 있다.

이번에 개발된 촉매는 제조 공정도 간단해 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 저렴한 루테늄 금속과 탄소 원료를 사용해 가격이 기존 백금촉매의 1/10수준으로 저렴하다.

루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도: 단순한 공정을 통해 수소 발생 촉매의 대량 생산이 가능함. 다공성 탄소지지체에 카르복실 작용기(COOH)를 도입하면, 작용기가 루테늄 입자(이온)이 지지체에 더 잘 고정 될 수 있게 해준다. 작용기는 열처리 공정을 이용해 제거한다. /UNIST

김건태 교수는 “수계 금속-이산화탄소 시스템에 백금 대신 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “이번 연구를 통해 차세대 전극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다”고 설명했다.

연구 수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF) 등 지원으로 이뤄졌다.

이번 연구는 UNIST 자비드 마흐무드 연구교수와 POSTECH의 한정우 교수가 각각 공동교신저자, 공동저자로 참여한 재료 분야 국제학술지 Journal of Materials Chemistry A에 5월 29일자로 온라인 공개됐다. 또한 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.


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