가천대·아주대·광운대 공동연구팀, FeP-CNT 기반 수전해 촉매 개발
고전류 조건서 1,000시간 이상 안정성 확인…태양전지 연계 가능성도 제시
고전류 조건서 1,000시간 이상 안정성 확인…태양전지 연계 가능성도 제시
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바닷물에서 수소를 직접 생산하면서도 해수 속 염화이온 때문에 촉매가 부식되는 문제를 효과적으로 막을 수 있다는 점이 특징이다.
3일 가천대학교에 따르면 이번 성과는 국내 연구진의 손에서 나왔으며, 고전류 환경에서 1000시간 이상 안정적으로 작동하는 것으로 확인됐다.
여기에 태양전지 등 재생에너지와 연계할 가능성도 제시돼, 해수를 활용한 그린수소 기술의 실용화가 한 걸음 가까워졌다는 평가다.
가천대 화공생명배터리공학부 김대건, 안용남 교수와 아주대 박성준 교수, 광운대 이기원 교수 등 연구진은 철 인화물(FeP)과 탄소나노튜브(CNT)를 결합한 'FeP@CNT' 이중기능성 전기촉매를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 Chemical Engineering Journal에 실렸다.
연구의 핵심은, 바닷물 속 염화이온이 촉매에 악영향을 주지 않도록 제어하면서도 수소 생산에 필요한 반응성이 떨어지지 않도록 만드는 데 있다.
수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분리하는 기술이다.
이 과정에 태양광이나 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 쓰면, 화석연료 없이 수소를 만들 수 있어 '그린수소' 시대의 필수 기술로 꼽힌다. 다만, 대규모 수소 생산이 늘어날수록 사용할 물의 양이 문제가 된다.
담수를 아껴야 한다는 필요성에서 바닷물을 직접 쓰는 쪽으로 관심이 커졌지만, 바닷물에는 수전해 장치의 성능을 떨어뜨리는 다양한 성분이 들어 있다.
특히 염화이온은 전극 표면에 들러붙어 촉매를 부식시키거나, 산소 발생 반응을 방해하는 등 여러 문제를 일으킬 수 있다.
해수 수전해 기술이 연구실 수준에서 산업 현장으로 나아가기 위해서는, 이런 염화이온에도 잘 견디는 촉매가 꼭 필요하다.
연구팀은 금속유기골격체(MOF)를 출발점으로 삼아 철 인화물 나노입자와 탄소나노튜브가 함께 결합된 촉매를 만들어냈다.
'PhosPy'라는 공정을 활용해, 촉매의 주성분이 만들어질 때 CNT도 곁에서 함께 성장하도록 한 게 핵심이다.
이처럼 만들어진 촉매에서는, 철 인화물이 물 분해의 활성 중심점 역할을 한다.
탄소나노튜브는 전자의 이동을 돕고, 염화이온이 바로 촉매 표면에 닿지 못하도록 막아주는 역할을 하면서 촉매의 내구성을 크게 높여준다.
촉매의 반응 원리를 파악하기 위해 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산도 수행했다.
그 결과, 다양한 철 인화물 결정 구조 중 Fe₃P의 한 결정면이 수소뿐만 아니라 수전해의 첫 단계를 거치는 물 분자 역시 효과적으로 흡착한다는 사실을 확인했다.
실제 바닷물을 사용한 실험에서도 효과가 입증됐다. 개발한 촉매를 수전해 장치의 양극과 음극에 모두 적용해 1,000시간 넘게 해수 전기분해를 실시한 결과, 높은 전류를 흘려도 큰 성능 저하는 없었다.
오랜 시간 반응한 뒤에도 촉매의 구조와 주요 활성 부위가 잘 유지됐다.
이번 연구의 또 다른 장점은 낮은 전압의 전원을 이용해도 성능이 나오고, 태양전지처럼 소규모 재생에너지 전원과도 연계가 가능하다는 점이다.
연구팀이 실제로 태양전지, 소형 전원을 써서 실험한 결과, 꾸준히 가스가 발생하는 모습이 관찰됐다. 즉, 별도의 대규모 담수 공급 없이도 바닷물에서 수소를 생산하는 시스템으로 발전시킬 수 있음을 보여준 셈이다.
연구팀은 이번 연구가 해수라는 풍부한 자원을 직접 이용하고, 귀금속 사용까지 줄여 기존 수전해 기술의 한계를 극복할 새로운 설계 방향을 제시했다는 데 의의가 있다고 설명했다.
김대건·안용남 교수 등 연구진은 "풍부한 해수를 효율적으로 사용하면서도 귀금속 의존도를 낮춘 새로운 수전해 촉매 설계가 가능함을 제시했다"며,
"담수 사용 부담을 줄이고 재생에너지와의 연계 기술 등 차세대 그린수소 개발에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 밝혔다.
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