김건태·백종범 UNIST 교수팀, 복합체 촉매 개발
백금촉매보다 10배 저렴·내구성 높아 상용화 가능 커

단순한 공정을 통해 수소 발생 촉매의 대량 생산이 가능함. 다공성 탄소지지체에 카르복실 작용기(COOH)를 도입하면, 작용기가 루테늄 입자(이온)이 지지체에 더 잘 고정 될 수 있게 해준다. 작용기는 열처리 공정을 이용해 제거한다. <사진=UNIST 제공>
단순한 공정을 통해 수소 발생 촉매의 대량 생산이 가능함. 다공성 탄소지지체에 카르복실 작용기(COOH)를 도입하면, 작용기가 루테늄 입자(이온)이 지지체에 더 잘 고정 될 수 있게 해준다. 작용기는 열처리 공정을 이용해 제거한다. <사진=UNIST 제공>
온실가스인 이산화탄소를 없애는 동시에 전기와 수소를 생산하는 시스템의 성능을 높여 줄 촉매가 개발됐다. 

UNIST(총장 이용훈)는 김건태·백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀이 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다. 개발된 촉매는 이산화탄소가 녹아 있는 탄산 환경에서도 잘 작동할 뿐만 아니라 저렴한 재료로 간단히 합성 가능해 상용화 가능성도 크다.

앞서 김건태 교수 연구팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 현상에 착안해 수계 금속-이산화탄소 시스템을 개발했다. 수계 금속-이산화탄소 시스템은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 이용해 수소와 전기를 생산하는 시스템이다. 이 시스템에서는 이산화탄소가 물에 녹아 생기는 수소이온이 전기화학적 반응을 통해 환원, 수소가 만들어진다.

이때 전기화학 반응에 필요한 에너지 장벽을 낮추기 위해 촉매를 사용하는데, 기존 금속-이산화탄소 시스템에는 백금 등의 귀금속 계열 촉매가 활용됐다. 고가의 귀금속 계열 촉매의 대안으로 다양한 금속 산화물·탄소 촉매들이 개시됐으나, 이산화탄소가 포화된 환경에서 수소 발생 활성도가 낮다는 단점이 있었다.

연구팀은 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었다. 루테늄 금속(Ru)과 다공성 탄소 지지체(PSC)가 결합된 루테늄 탄소 복합 촉매(CF-Ru@PSC)는 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 백금 촉매만큼 우수한 수소 발생 반응 활성도와 1000시간의 구동에서도 높은 안정성을 보였다. 탄소지지체에 붙은 카르복실(COOH) 작용기가 루테늄을 지지체에 더 단단히 고정시키는 중간매개체 역할을 하기 때문이다. 쓰임을 다한 카르복실 작용기는 가열해 쉽게 제거할 수 있다.

제1저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "카르복실기가 사라지고 나면 루테늄 금속과 탄소 지지체의 강한 결합이 일어나는데, 여기서 추가적인 촉매 반응이 일어나 이산화탄소가 포함된 전해질에서도 수소 발생 반응 활성도가 높다"고 설명했다. 

이번에 개발된 촉매는 제조 공정도 간단해 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 저렴한 루테늄 금속과 탄소 원료를 사용해 기존 백금촉매의 1/10 수준으로 저렴하다. 김건태 교수는 "수계 금속-이산화탄소 시스템에 백금 대신 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것"이라며 "이번 연구를 통해 차세대 전극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다"고 연구 의의를 설명했다.

자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) UNIST 연구교수와 한정우 포스텍 교수가 각각 공동교신저자, 공동저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제학술지 'Journal of Materials Chemistry A' 온라인에 지난달 29일 공개, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 

저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지