KAIST(총장 강성모)는 오일권 기계공학과 교수 연구팀이 백금 등의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 기반의 물 분해 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다. 

하지만 비용이 많이 들어 상용화에는 어려움이 따른다. 특히 산소가 발생하는 플러스(+) 전극에는 이리듐·루테늄 산화물 기반의 귀금속 촉매가 필요하고, 수소가 발생하는 마이너스(-) 전극에는 백금이 필요하다. 

이에 연구팀은 플러스 전극에 사용되는 이리듐·루테늄 산화물 기반의 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 금속 기반의 화합물 촉매를 제작했다. 

니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 가격이 저렴하지만 이리듐·루테늄 산화물 촉매에 비해 높은 전압을 필요로 하는 등 상대적으로 낮은 성능으로 인해 사용되지 못했다. 

연구팀은 이런 문제 해결을 위해 수열합성을 이용했다. 수열합성은 고온, 고압 상태에서 물 혹은 수용액에 금속 등을 녹여 물질을 합성하는 기술이다. 

연구팀은 니켈-코발트 전구체가 녹아 있는 용액을 바탕으로 수열합성을 진행, 니켈-코발트 촉매의 낮은 성능 문제를 해결하는 동시에 촉매의 표면적을 넓히는 데 성공했다.

또 추가적인 수열합성을 통해 촉매 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 둘러싸면서 전극과 나노선 복합체 사이의 전하 전달 능력을 극대화시킨 이중 나노선 형태의 촉매를 제작했다.

외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 구성했기 때문에 탄소 직물로 만들어진 전극 기판과 상승효과(Synergy)를 내면서 단일 니켈-코발트계 금속 촉매에 비해 30% 낮은 전압과 2.7배 높은 단위 면적당 촉매 활성도를 보였다.

기존의 나노선은 원뿔 모양으로 종횡비가 커 나노선 전체로 전달되는 전압이 일정하지 않았다. 이 때문에 나노선 전체가 촉매 반응에 참여하지 못하는 현상이 발생했으나, 연구팀의 촉매는 탄소층으로 둘러싸여 있기 때문에 전자의 활발한 이동이 가능했고 이는 일정한 전압 전달로 이어졌다. 

오 교수는 "기존의 값비싼 귀금속 촉매에 비해 훨씬 저렴하면서도 성능은 거의 차이가 없다"며 "생산 과정이 간단하고 대량 생산이 가능하다. 물을 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 

이번 연구성과는 화학, 에너지 및 소재 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 1월호 표지논문에 실렸다.