KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 민병권·황윤정 청정에너지연구센터 박사 연구팀이 저가형 금속 소재인 니켈(Nickel)을 이용해 간단한 공정으로 고효율 물 분해 촉매 전극을 만드는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

물로부터 수소를 얻는 기술은 가장 대표적인 청정연료 생산방법으로 알려져 있다. 미래에는 연료전지 보급으로 청정에너지인 수소의 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상된다.

하지만 지금까지 수소 제조법은 대부분 화석연료를 기반으로 제조 과정에서 기후변화를 일으키는 이산화탄소를 방출하는 문제점을 가지고 있었다. 새로운 청정 수소 제조법의 개발이 절실하며 이에 다양한 촉매 전극을 이용하는 물 분해-수소 제조법이 많이 연구되고 있다. 아직까지 생산 효율이 낮고, 고비용 전극 제조 방법을 사용하고 있어 실용화에 크게 어려움을 겪고 있다.  

물 분해 수소생산 기술에는 크게 두 가지 중요 촉매 기술이 필요하다. 한 가지는 물을 분해해 산소를 만들어 내는 물 산화 촉매 기술이고 다른 하나는 수소이온을 환원시켜 수소를 만드는 촉매 기술이다.

이 중 물을 분해해 산소를 만들어 내는 반응이 훨씬 많은 에너지를 요구하는 어려운 반응이다. 아직까지 저가 소재를 기반으로 한 고성능의 촉매가 개발되지 못한 상태다.

기존에 이리듐·루테늄 등의 희귀 고가 소재로 이뤄진 촉매 전극으로 높은 성능의 결과가 보고되었으나, 대량생산과 상용화를 위해 저가 소재로 고효율 촉매를 만드는 기술 개발이 절실한 상황이었다.

연구팀은 다공성의 니켈 폼(Ni foam)을 이용해 단순히 황(Sulfur) 기체 조건에서 열처리한 후 물 분해 반응을 진행시키면, 처음 황 기체에 의해 황화가 된 니켈 폼의 표면이 물 분해 활성이 매우 높은 형태(니켈하이드록사이드)로 자발적으로 전환되면서 고효율의 물 분해 촉매로 변신하는 현상을 발견했다.

연구팀은 이러한 간단한 공정을 통해 만든 촉매 전극을 개발해 세계 최고 수준의 고성능(과전압 256mV @ 10mA/cm2)을 나타냈다. 특히 이렇게 만들어진 촉매는 중성 pH 조건에서도 잘 작동하는 것이 검증돼 향후 인공광합성 시스템에 활용 가능하다.

민병권 센터장은 "이 기술은 저가이면서 대량생산이 가능한 소재인 니켈 폼을 이용해 매우 간단한 황화 열처리만으로 고효율의 물 분해 촉매 전극을 제조할 수 있다는 것이 장점"이라며 "향후 물 분해 수소 생산 기술의 상용화에 크게 기여 할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 촉매 분야 과학전문지인 'Applied Catalysis B: Environmental'(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 게재됐다.