[대학저널 황혜원 기자] UNIST(총장 이용훈) 자연과학부 화학과 김광수 교수가 이끄는 연구팀이 이론적 계산을 통해 물 전기 분해 효율을 높일 ‘금속 유기물 복합체’ 촉매를 개발했다.
이에 따라 미래 에너지원 ‘수소’를 더 효율적으로 생산하는 기틀이 마련됐다. 수소 생산 공정인 ‘물 전기분해’(수전해) 반응을 촉진하는 촉매가 개발된 것이다.
염기성 전해질에서 사용 가능한 이 촉매는 ‘수전해 기술’에서 ‘병목현상’으로 지목되는 ‘산소 발생 반응’을 촉진해 전체 반응 효율을 높인다. ‘수전해’ 과정에서는 수소, 산소 생산의 두 가지 반응이 각각 동시에 일어나는데, 문제는 전체 반응이 속도가 느린 '산소 발생 반응'에 맞춰 진행된다는 데 있다. 때문에 산소 발생 반응이 늦어질수록 수소 생산 속도도 느려진다.
김 교수팀은 니켈과 철을 포함하는 금속 유기 골격체(MOF)를 이용해 개발한 촉매로 새로운 해결방안을 제시했다. 금속 유기 골격체는 금속과 유기물이 마치 건축물의 ‘철근’과 같은 뼈대 모양을 이루는 물질이다. 미세한 크기의 구멍이 많아 표면적이 넓고, 촉매 반응이 일어나는 금속 원자가 표면에 노출 된다는 장점이 있다. 게다가 상용 촉매에 사용되는 이리듐(Ir)에 비해 니켈과 철은 매장량도 많고 가격도 저렴하다.
이번에 개발 된 촉매는 기존 산화이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로 많은 양의 수소를 생산해 낼 수 있다. ‘알칼리 음이온 교환막 수전해 장치’를 만들어 실제 촉매의 성능을 평가한 결과 300 mV 전압에서 단위 면적(cm2)당 0.5A(암페어)의 전류 밀도를 달성했다. 이는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이다. 또 1,000시간 이상을 작동했을 때도 우수한 내구성을 보였다.
김 교수는 “이번 연구를 통해 느린 ‘산소 발생 반응’ 속도 문제를 개선했을 뿐만 아니라, 기존 상용 촉매의 가격과 안정성 문제도 동시 해결할 수 있었다”며 “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용 될 수 있을 것”이라고 전했다.
김 교수의 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 ‘Energy and Environmental Science’에 지난 5월 27일자로 온라인 출판됐으며, 연구수행은 한국연구재단과 한국과학기술정보연구원의 지원으로 이뤄졌다.
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