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UNIST, 안정성 뛰어난 수전해 촉매 개발

박혜성·김건태·곽상규 교수 연구팀, 볼밀 공정으로 이종구조 촉매 합성
1cm² 면적에 100mA 전류 흘려도 1,000시간 이상 전극 손상 없어



[월간수소경제 송해영 기자] 가혹한 환경에서도 안정적으로 물을 분해해 수소와 산소를 동시에 생산하는 수전해 촉매가 개발되었다. 지금까지 보고된 촉매 중 안정성이 가장 뛰어나며, 만들기 쉽고 가격도 저렴하다.


UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·김건태·곽상규 교수 공동연구팀은 전이금속칼코겐화합물(TMDs)’페로브스카이트산화물(Perovskite Oxide)’을 결합한 이종구조 수전해 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 합성 공정이 단순하고 대량생산이 가능해 상용화에 대한 기대가 높다.


물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 수전해 기술은 친환경 수소 생산 방법으로 손꼽힌다. 특히 재생에너지 전력을 이용할 경우 완전한 제로 이미션(zero-emission)을 실현할 수 있다.


수전해 과정에서는 물 분해 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존에는 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매의 성능이 우수하다고 보고되었다. 하지만 귀금속 촉매는 가격이 비싸고 안정성이 낮아 상용화가 어려웠다.


이번 연구에서는 몰리브덴다이셀레나이드(MoSe, 전이금속칼코겐화합물)와 란탄스트론튬코발트산화물(La0.5Sr0.5CoO3-δ, LSC, 페로브스카이트산화물)를 용기에 넣고 쇠구슬과 함께 굴리는 간단한 방법(볼밀 공정)으로 이종구조 촉매를 합성했다. 이렇게 만들어진 촉매는 수소발생반응과 산소발생반응 양쪽에서 귀금속 촉매에 근접한 성능을 보였다. 귀금속 촉매가 둘 중 하나의 반응에서만 우수한 성능을 보이는 것과 차별화되는 부분이다.


특히 해당 촉매는 1cm² 면적에 100mA(밀리암페어)의 전류를 흘려도 전극 손상 없이 1,000시간 동안 안정적으로 작동했다. 기존에 보고된 촉매들은 같은 면적에 50mA 이상의 전류만 흘려도 얼마 지나지 않아 전극이 손상된다. 새로운 촉매는 2배 이상 가혹한 환경에서도 끄떡없이 작동한 것이다.



1저자인 오남근 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 기존에도 전이금속칼코겐화합물은 안정성이 우수해 수전해 촉매로 활용하려는 연구가 있었지만, 반도체 성질을 전기가 잘 흐르는 금속 성질로 바꾸기가 까다로웠다이번 연구에서는 두 물질을 합성하는 과정에서 전이금속칼코겐화합물의 일부가 금속 성질로 바뀌면서 촉매의 성능과 안정성이 획기적으로 향상되었다라고 설명했다.


전이금속칼코겐화합물과 페로브스카이트산화물의 이종구조에서 전이금속칼코겐화합물의 반도체 성질이 금속 성질로 변하는 독특한 상전이 현상은 이번 연구에서 최초로 발견돼 실험적·이론적으로 규명되었다. 페로브스카이트산화물(LSC)에서 전이금속칼코켄화합물(MoSe)로 전자가 이동하자, 전이금속칼로켄화합물의 일부 구조가 변하면서 반도체 성질이 금속 성질로 바뀐 것이다.


박혜성 교수는 전이금속칼코겐화합물과 페로브스카이트산화물 사이에 전자가 이동하면서 부분적으로 나타난 상전이 현상은 전이금속칼코겐화합물 상전이에 대한 새로운 시각을 제시할 것이라며 이번에 제안한 촉매 설계는 다양한 화합물로 조합할 수 있어 잠재력이 무궁무진할 것이라고 기대했다.


이번 연구는 금속 기반 촉매에 집중됐던 수전해 촉매 연구에 새로운 시각을 제공하는 계기가 될 전망이다. 공동 제1저자인 김창민 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 최근 알카라인 수전해 기술은 대부분 금속 기반 수소생산반응 촉매 개발에 집중돼 있다물 분해 반응의 발목을 잡던 산소발생반응 촉매로도 높은 성능을 보이는 새로운 촉매가 나온 만큼 관련 기술도 한층 발전할 것이라고 전했다.


김건태 교수는 수전해 촉매를 상용화하려면 간단한 합성, 대량화, 재현성, 저비용, 고성능, 고안정성 등이 수반돼야 한다새로 개발한 촉매는 이런 조건을 만족시킬 것으로 기대된다라고 밝혔다.


이번 연구는 교육부의 이공학개인기초연구지원사업(기본연구)’, UNIST‘U-K 브랜드사업’, 과학기술정보통신부의 중견연구자프로그램’, UNIST-HPC의 지원으로 진행됐다. 연구성과는 자연과학 분야 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 412일자 온라인판에 게재되었다.




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