UNIST(총장 이용훈)는 에너지 및 화학공학부의 김건태·곽상규·백종범 교수팀이 물 전기 분해와 같은 전기화학 반응에서 산도(pH)를 가리지 않고 안정성이 뛰어난 루테늄 기반 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

순수한 물은 전기가 통하지 않는다. 때문에 전기화학 반응을 일으키기 위해 염기성이나 산성 전해질을 첨가해야 한다. 촉매는 반응에 필요한 에너지를 줄여주는 물질이다. 에너지를 많이 줄여 줄소록 효율적인 촉매로 본다.

하지만 물 분해와 같은 각종 전기 화학반응을 상업적으로 이용하려면 효율성과 더불어 장시간 작동할 수 있는 내구성을 갖춘 촉매가 필요하다. 백금이 많이 사용되는데 효율성을 높지만 염기성에서 쉽게 산화(부식)돼 내구성이 떨어진다.

연구팀은 루테늄 금속을 2차원 탄소 물질인 '그래핀'의 '에지(edge)'에만 선택적으로 결합(환원) 시키는 방법을 이용해 효율은 높으면서 전 범위의 산도에서도 내구성이 강한 촉매 구조를 개발했다. 루테늄을 그래핀 가장자리에만 결합시키는 방식을 이용해 그래핀 지지체 평면이 손상되는 것을 막아 효율과 내구성이 모두 높다. 즉 루테늄 금속을 지지해 주는 역할을 하는 그래핀의 '가장자리' 부분에만 질소를 도핑(doping), 루테늄이 질소를 따라 가장 자리 부분에만 결합하는 현상을 이용했다. 질소는 전자를 받으려는 성질이 강하고 루테늄은 전자를 주려는 성질이 강하기 때문이다.

연구팀이 개발한 촉매는 산성과 염기성뿐만 아니라 중성 용액에서도 잘 작동한다. 이산화탄소를 포집하고 수소와 전기를 생산하는 '수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO₂ system)'에도 적용 가능하다. 수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템은 김건태 교수팀이 이전 연구에서 개발한 시스템이다.

제1저자인 양예진 에너지공학과 석·박사 통합과정 연구원은 "금속과 뛰어난 결합력을 가지는 에지를 이용해 모든 수계 환경에서 안정적인 성능을 보이는 'Ru-ENG'촉매를 개발했다"고 설명했다.

특히 촉매는 물 전기 분해 시스템에서 산도에 상관없이1500시간 동안 작동해 내구성도 입증했다. 공동 제1 저자인 김정원 에너지공학과 석·박사 통합과정 연구원은 "실험 결과 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 수소 발생 효율을 알 수 있는 전류밀도 값도 백금보다 높았다"고 말했다.

김건태 교수는 "선택적 도핑을 통해 가격도 저렴하고 중성을 포함한 모든 산도에서 우수한 성능을 보이는 촉매를 개발했다"면서 "이번에 개발된 촉매 구조는 이산화탄소가 포화된 중성 환경에서도 잘 작동해 물 전기 분해 시스템 뿐만 아니라 수계 금속-이산화탄소 시스템 상용화에도 큰 도움이 될 것"이라고 기대했다.

연구는 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF) 등 지원으로 이뤄졌다. 결과는 연구 에너지 분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy)에 6일자로 온라인 공개됐다.