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  • 기사등록 2020-07-21 12:00:03
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▲ UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태·곽상규·백종범 교수팀은 물 전기 분해와 같은 전기화학 반응에서 산도(pH)를 가리지 않고 안정성이 뛰어난 루테늄 기반 촉매를 개발했다. (좌측부터) 김건태 교수, 양예진 연구원, 백종범 교수, 김정원 연구원



[기계신문] 물을 수소와 산소로 분해하는 ‘물 전기분해’나 이산화탄소를 흡수해 수소와 전기를 생산하는 수계 금속-이산화탄소(Aqueous Zn-CO₂ system) 시스템의 경우 수소 발생 반응을 활성화시키는 촉매가 필요하다.


특히 촉매는 효율과 안정성은 수계(물, Aqueous) 산도에 영향을 많이 받기 때문에 중성 환경에서 작동하는 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화하기 위해서는 새로운 촉매 개발이 시급하다.


이에 귀금속인 백금(Pt)을 대체할 촉매에 관한 연구가 활발한 가운데, 저렴한 탄소화합물과 루테늄(Ru)금속을 이용해 우수한 안정성을 보이는 촉매를 개발한 연구 결과가 나왔다.


UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태·곽상규·백종범 교수팀은 물 전기 분해와 같은 전기화학 반응에서 산도(pH)를 가리지 않고 안정성이 뛰어난 루테늄 기반 촉매를 개발했다.


백금 촉매의 경우 염기성 전해질에서 내구성이 떨어지는데, 이번에 개발된 촉매는 산성과 염기성뿐만 아니라 중성 용액에서도 잘 작동하기 때문에, 이산화탄소를 포집하고 수소와 전기를 생산하는 ‘수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템’에도 적용할 수 있다.



▲ 물 전기 분해 및 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 촉매의 장기 구동 성능 : 상용 Pt 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능 및 안정성을 보인다. (수전해 1500 h 이상, 금속-이산화탄소 600 m 이상)



수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템은 김건태 교수팀이 이전 연구에서 개발한 시스템으로 수용액 내부는 이산화탄소가 포화된 중성 상태이다.


순수한 물은 전기가 통하지 않기 때문에 전기화학 반응을 일으키기 위해서 염기성이나 산성 전해질을 첨가한다. 촉매는 이 때 반응에 필요한 에너지 줄여주는 물질이다. 소모되는 에너지를 많이 줄여줄수록 효율적인 촉매이다.


하지만 물 분해와 같은 각종 전기화학반응을 상업적으로 이용하려면 효율성과 더불어 장시간 동안 작동할 수 있는 내구성을 갖춘 촉매가 필요하다. 많이 사용되는 백금의 경우 효율은 높지만 염기성에서 쉽게 부식돼 내구성이 떨어진다.



▲ 루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도 : 가장자리(edge) 활성 사이트(active site)를 이용하여 수소 발생 촉매의 활성도를 높인다.



공동 연구팀은 루테늄 금속을 2차원 탄소 물질인 ‘그래핀’의 ‘에지(edge)’에만 선택적으로 결합(환원)시키는 방법을 이용해 효율은 높으면서도 전 범위의 산도(pH)에서 내구성이 강한 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다.


루테늄을 그래핀 가장자리에만 결합시키는 방식을 이용해 그래핀 지지체 평면(basal plane)이 손상되는 것을 막아 효율과 내구성 모두 높다. 루테늄 금속을 지지해주는 역할을 하는 그래핀의 ‘가장자리’ 부분인 ‘에지’에만 질소를 도핑하면, 루테늄이 질소를 따라 가장 자리 부분에만 결합하는 현상을 이용했다. 질소는 전자를 받으려는 성질이 강하고 루테늄은 전자를 주려는 성질이 강하기 때문이다.


이때 도핑(doping)은 순수한 물질에 불순물을 첨가하는 것을 말한다. 이번 실험에서 순수하게 탄소 원자로 이뤄진 그래핀의 가장 자리(edge)에 질소를 도핑했다.



▲ 루테늄 및 탄소 지지체 촉매 전기화학 성능 분석 : 다양한 수계 조건에서 상용 백금(Pt) 계열 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능 및 안정성을 보인다.



양예진 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “금속과의 뛰어난 결합력을 가지는 에지(edge)를 이용해, 모든 수계 환경에서 안정적인 성능을 보이는 다 ‘Ru-ENG’(Edge-selective Nitrogenated Graphitic Nanoplates) 촉매를 개발했다”고 설명했다.


이번에 개발된 촉매를 물 전기 분해 시스템과 수계 금속-이산화탄소 시스템에 적용한 결과, 우수한 수소 발생 반응성과 내구성을 확인했다. 특히 물 전기 분해 시스템에서는 산도에 관계없이 1,500시간 동안 작동했다.


김정원 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “실험 결과, 수계 금속-이산화탄소 시스템에서 수소 발생 효율을 알 수 있는 전류밀도 값도 백금보다 높았다”고 언급했다.



▲ 루테늄 및 탄소 지지체 촉매 수소 발생 활성 위치(반응 위치) 분석 : 루테늄과 탄소 지지체의 강한 결합이 있는 곳에 수소 발생 반응 활성도가 뛰어난 것을 확인할 수 있다.



김건태 교수는 “선택적 도핑을 통해 가격도 저렴하고 중성을 포함한 모든 산도에서 우수한 성능을 보이는 촉매를 개발했다”며 “이번에 개발된 촉매 구조는 이산화탄소가 포화된 중성 환경에서도 잘 작동하기 때문에 물 전기 분해 시스템뿐만 아니라 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화에도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.


기존에 보고된 수계 금속-이산화탄소 시스템에 적용된 촉매는 귀금속 계열 물질이 뛰어난 활성을 보였다. 이번 연구를 활용하면 이산화탄소가 포화된 환경에서도 수소 발생 반응이 뛰어난 다양한 금속 물질-유기 지지체(탄소가 포함된 물질) 촉매를 설계할 수 있을 것으로 기대된다.


한편, 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF) 등 지원으로 이뤄진 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 7월 6일자 온라인 공개됐다.


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이은아 기자 lena@mtnews.net

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