'샌드위치 구조 촉매' 개발, 수소에너지 생산효율 높인다

포항공과대학교(포스텍) 연구팀이 화석연료의 대체 에너지로 주목받고 있는 수소에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 '샌드위치 구조 촉매'를 개발해 화제다. 

포스텍 화학과 이인수 교수, 통합과정 장선우씨, 슈만 듀타(Soumen Dutta) 박사 연구팀은 고기나 채소를 넣어 간편하고 열량과 영양도 뛰어난 샌드위치처럼 수소에너지를 얻는데도 이 샌드위치 방식이 뛰어나다는 사실을 밝혀냈다. 

최근 수소전기차가 출시되고 가정에도 수소연료전지가 보급되면서 수소는 차세대 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 

수소연료전지는 산소(O₂)와 수소(H₂)가 물(H₂O)을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경적 발전장치다.

태양광이나 풍력에서 얻어지는 잉여전류를 사용해 물을 분해하고 수소를 생성하는 방법은 고순도의 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 쉬우면서 친환경적인 방식으로 알려졌다. 

그러나 이 방법은 생산 효율이 낮고 비용이 높다. 이러한 단점으로 물 전기분해를 통해 생산하는 수소연료의 단가를 낮추기 위해서는 수소발생 효율을 극대화할 수 있는 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다는 지적이 계속 있어왔다.

수소생성 반응에 가장 적합한 촉매 물질로 여겨져 왔던 백금(Pt)는 물 분자에 대한 낮은 친화도와 이에 따른 느린 물 분해 속도 때문에 알칼리 전해질 조건에서 이루어지는 상업적인 공정에 적용하는 데에는 어려움이 있다. 

또한 이런 단점을 보완하기 위해 물 분해반응을 촉진하는 금속·수산화물을 백금 나노입자와 결합하려는 많은 시도가 이루어졌으나, 백금/금속-수산화물 계면의 불안정한 특성으로 인해 촉매의 내구성이 크게 저하되는 또 다른 약점 또한 노출하게 된다. 

포스텍 이인수 교수 연구팀은 촉매의 효율과 내구성을 동시에 향상하기 위해 2차원 형태의 백금/금속-수산화물 계면을 설계했다고 설명했다. 

수 나노미터(nm) 두께의 박리된 니켈/철-수산화물 표면에 약 1nm의 백금층을 성장시키는 독창적인 방법으로 다공성 2D-백금-나노판 사이에 2D-니켈/철-수산화물-나노판이 끼어 있는 샌드위치 형태의 2D-2D 나노하이브리드 물질을 합성하는 데에 성공했다고 했다. 

넓은 2D-2D 계면에 걸쳐서 밀접하게 접촉하고 있는 금속-수산화물과 백금 사이에서 샌드위치 촉매는 상호보조적인 촉매효과가 일어나는데 연구팀은 이때 기존의 촉매물질에 비해서 6배 이상 높은 활성을 나타냈다고 설명했다. 

또한 50시간이 넘는 장시간의 물 분해 수소생산 과정에서도 활성의 감소없이 촉매 기능을 안정적으로 유지하는 것으로 확인됐다. 

이인수 교수는 "샌드위치 촉매는 탄소 지지체를 사용하지 않는 물질 중에서 가장 높은 알칼리 용액 수소 발생 촉매 활성을 지니면서도, 불과 3~5시간 정도에서 안정적인 유사 전기화학 촉매보다 크게 향상된 내구성을 보이는 촉매 물질"이라며 " 경제성 높은 수소 생산공정을 개발하는 데에 적용될 수 있을 것"이라고 기대했다. 

이 연구는 미국화학회 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’지 최근호에 발표됐으며, 한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다.

포인트경제 김지연 기자