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물 전기분해 가능 안전·활성도 높은 금속성 촉매 개발

상가라주 샨무감 DGIST 교수팀, 나노 구조 전기 화학적 촉매 개발 후 대체 실험 성공

알칼리수를 전기분해할 때 코어-쉘 나노 구조의 전기화학적 촉매(Core-shell Co@NC)를 활용한 양극 표면의 산소 발생 모식도.<사진=DGIST>알칼리수를 전기분해할 때 코어-쉘 나노 구조의 전기화학적 촉매(Core-shell Co@NC)를 활용한 양극 표면의 산소 발생 모식도.<사진=DGIST>

재생에너지 기술의 성공적 상업화를 위해 필요한 안전하고 활성도 높은 금속성 촉매가 개발돼 주목된다.

DGIST(총장 손상혁)는 상가라주 샨무감 에너지공학전공 교수 연구팀이 물을 전기분해할 수 있는 코어 쉘 나노 구조의 전기화학적 촉매를 개발하고 양극 대체 실험에도 성공했다고 22일 밝혔다.

물 전기분해 반응에서 촉매를 이용해 양극에서 산소가 발생하는 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction)은 수소 발생 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction)에 비해 비교적 느린 전기화학적 반응이다.

이에 따라 안정적이고 효율이 높은 산소 발생 반응을 돕는 전기화학적 촉매 개발에 대한 연구가 활발하다. 산소와 함께 에너지 자원으로 활용 가능한 수소가 생성되는 물 전기분해 장치도 주목받고 있다.

지금까지 루테늄과 산화이리듐이 산소 발생 반응에 적합한 전기화학적 촉매로 알려져 왔다. 하지만 안정성 문제와 희소성으로 대량의 물 전기분해에 활용하기 어려웠고 상용화에도 한계가 있었다.

연구팀은 미국 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(PNNL, Pacific Northwest National Laboratory) 연구팀과 공동으로 효율적인 물 전기분해를 위해 기존의 귀금속 산화 전극을 대체할 수 있는 저가의 비귀금속 전기화학적 촉매를 개발하는 연구를 진행해왔다.

연구를 통해 강한 내구성을 가지면서도 높은 효율을 나타내는 코어-쉘 나노 구조의 전기화학적 촉매를 개발했다. 촉매는 금속-유기 골격체(MOFs) 가운데 하나인 유기 리간드로 연결된 다량의 코발트 금속 이온으로 이뤄진 프러시안 블루 아날로그를 전구체로 활용해 나노탄소층으로 캡슐화시킨 것이 특징이다.

프러시안 블루 아날로그를 가열하면 코발트 금속 이온과 유기 리간드는 각각 코발트 금속과 질소가 섞인 탄소층으로 변환돼 얇은 탄소층과 캡슐화된 코발트 금속으로 이뤄진 코어-쉘 나노 구조를 형성한다. 이러한 구조적 특성으로 탄소의 내구성이 향상되고 전자의 초고속 이동과 뭉침이 없는 균일한 나노미터 사이즈의 촉매 제작이 가능했다는게 연구팀의 설명이다.

또 연구팀은 물 전기분해 장치에서 산소 발생을 촉진시키는 실험으로 기존 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있다는 가능성도 확인했다.

상가라주 샨무감 교수는 "코어-쉘 나노 구조의 전기과학적 촉매의 나노 구조는 촉매 표면의 얇은 탄소층을 보호하고 초고속 전자 이동을 가능하게 해 촉매의 전기화학적 활성과 안정성을 향상시켰다"며 "물 전기분해 장치에 활용해 대체에너지로 주목받는 수소 대량 생산을 위한 후속 연구를 진행하겠다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 신소재 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 지난달 11일자 온라인판에 게재됐다.

실제 실험 장면.<사진=DGIST>실제 실험 장면.<사진=DGIST>

 

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