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싸고 흔한 니켈로 수소 생산한다

친산소성 전이금속 도핑된 니켈 기반 촉매 시스템 개발
활성도·안정성 높인 ‘3차원 나노 스프링 촉매 전극’ 구현

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[월간수소경제 성재경 기자] POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 값싸고 쉽게 구할 수 있는 니켈을 촉매 전극으로 물을 전기분해해 수소 연료를 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 새롭게 제안했다. 


POSTECH 신소재공학과 김종규 교수, 통합과정 김재림 연구팀은 화학공학과 한정우 교수·통합과정 정현정 연구팀과 공동연구를 통해 친산소성 전이금속이 도핑된 고효율 니켈 기반 촉매 시스템을 개발하고, 촉매 흡착 특성과 알칼라인 수소 발생 반응 효율 사이의 상관관계를 밝혔다. 


이번 연구의 성과는 우수성을 인정받아 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’의 표지 논문으로 선정됐다. 

 

연료전지는 산소와 수소가 물을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경 발전장치이다. 이때 역반응으로 물을 분해해 수소 연료를 생성하는 수전해 환원은, 고순도 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 친환경적이고 지속가능한 방식으로 알려졌다. 


다만 이 방법은 값비싼 귀금속을 수전해 전극으로 써야 하는 등 비용이 높고 생산효율이 낮다는 단점이 있다. 수전해를 통해 생산되는 수소 연료의 단가를 낮추기 위해서는 수소발생 효율을 극대화할 수 있는 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다. 


공동연구팀은 기존 귀금속 전극에 비해 값싸고 풍부한 니켈에 친산소성 이종금속 물질을 결합해 알칼라인 수소생산 반응에 최적화된 흡착 세기를 갖도록 고효율 촉매 소재를 설계했으며, 비귀금속 물질 조합을 통해 촉매 표면의 흡착 특성을 효과적으로 제어할 수 있음을 밝혔다. 


또한, 나노 물질을 기판에 증착시키는 공정에서 기판을 기울이거나 회전시키는 간단한 방법으로 다양한 촉매 물질의 나노구조를 쉽게 구현할 수 있는 ‘경사각증착법’을 도입했다. 최적의 물질, 최적의 나노 구조 조합을 통해 귀금속 백금 촉매를 대체할 수 있는 고활성·고안정성 비귀금속 ‘3차원 나노 스프링 촉매 전극’을 구현했다. 


이렇게 제작된 나노 스프링 어레이 구조는 기존 니켈 박막 촉매와 비교해 과전압을 4배 이상 감소시키는 등 수소생산 효율을 극대화시킬 수 있음을 확인했다. 


연구를 주도한 김종규 교수는 “고성능 이종금속 나노구조 촉매 설계 원리와 개발 방법론을 제시함으로써 수전해뿐 아니라 이산화탄소 환원기술, 광에너지 변환 시스템, 연료전지 등에 핵심 개념이 그대로 적용될 수 있어 원천기술 확보로 인한 기술의 확장성과 그 파급효과가 클 것으로 기대된다”고 말했다.


공동 교신저자인 한정우 교수는 “계산화학을 통해 촉매 흡착 세기를 제어할 수 있는 이종금속을 빠르게 찾아 비귀금속 물질만으로 이루어진 이종금속 촉매 전극을 구현함으로써 물분해 환원반응 속도를 획기적으로 증가시켰다”고 덧붙였다.  





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