[아이뉴스24 박준표 기자] 단국대학교 연구팀이 값비싼 귀금속 대신 니켈(Ni)·코발트(Co)·철(Fe)을 활용해 높은 활성과 내구성을 갖춘 수전해 전극 촉매를 개발했다. 기존 금속 합금보다 약 7배 높은 반응활성을 보인 데다 재생에너지처럼 전력 공급이 불규칙한 환경에서도 성능을 유지해 친환경 수소 생산 기술의 상용화 가능성을 높였다는 평가다.
단국대는 화학공학과 이용걸 교수 연구팀이 니켈·코발트·철 합금을 기반으로 한 고성능 수전해 전극 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다.
수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 이 가운데 산소 발생 반응(OER)은 많은 에너지가 필요한 과정이어서 촉매의 성능이 전체 수소 생산 효율을 좌우한다.
현재 고성능 촉매에는 루테늄(Ru)·이리듐(Ir) 등 귀금속이 주로 사용되지만 가격이 비싸고 매장량이 적어 대규모 상용화에는 한계가 있다.
대안으로 니켈 기반 비귀금속 촉매가 주목받고 있지만 장시간 작동할 경우 활성 구조가 변하면서 성능이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 니켈·코발트·철 합금 표면을 전기화학적으로 재구성했다.
이 과정에서 촉매 내부에는 전기가 원활하게 흐르고 표면에서는 화학반응이 활발하게 일어나는 다공성 활성층이 형성됐다. 연구팀은 이를 ‘계층형(hierarchical) 구조’로 구현해 촉매의 활성과 안정성을 동시에 높였다.
연구팀은 실시간 X선 분석과 계산과학도 활용해 촉매가 높은 성능과 내구성을 유지하는 원리를 원자 수준에서 규명했다.
분석 결과 니켈 활성상이 산화·환원 과정에서 안정적으로 변화한 뒤 다시 회복되는 현상과 철 성분의 용출이 억제되는 특성이 촉매의 장기 성능 유지에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다.
새 촉매는 기존 니켈-철계 촉매(NiFe-LDH)보다 높은 전류밀도에서도 우수한 성능을 유지했다. 기존 금속 합금과 비교한 반응활성빈도(TOF)는 약 7배 높았다.
태양광·풍력처럼 전력 공급량이 수시로 달라지는 재생에너지 환경을 모사한 반복 작동 시험에서도 높은 내구성을 보였다.
산소 발생 반응뿐 아니라 요소 산화 반응(UOR)에서도 높은 성능을 나타내 물 분해 방식의 수소 생산은 물론 요소를 활용한 친환경 수소 생산 기술에도 적용할 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다.
이용걸 교수는 “실시간 X선 흡수분광과 계산과학을 결합해 다성분 비귀금속 촉매의 활성과 안정성이 높아지는 원리를 원자 수준에서 규명했다는 데 의미가 있다”며 “대용량 수전해 시스템과 요소 기반 친환경 수소 생산, 다양한 전기화학 에너지 변환 촉매 설계에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구 결과는 나노재료 분야 국제학술지 ‘Small’에 지난 3일 온라인 게재됐다. 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
/천안=박준표 기자(asjunpyo@inews24.com)