'밀당' 잘하는 수소 촉매 개발…백종범 UNIST 교수팀 성과

가격 경쟁력 갖춘 고효율 촉매 기대…네이처 커뮤니케이션 게재

수소발생반응의 반응 원리를 보여주는 모식도

[아시아경제 김철현 기자] 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 반응에는 '촉매'가 꼭 필요하다. 기존에는 효율이 좋은 백금을 썼는데 비싸다는 단점이 있다. 백금을 대체할 물질이 꾸준히 개발되는 가운데 '원자 구조를 조절해 촉매 효율을 높인 연구’가 나와 눈길을 끌고 있다.

울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)은 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 중국 연구진과 공동으로, 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성했다고 23일 밝혔다. 이 촉매는 수소 원자를 당기고 밀어내는 두 작용을 적절히 해내, 백금보다 낮은 과전압에서 수소발생 반응이 일어난다. 효율과 가격 면에서 경쟁력을 갖춘 촉매인 셈이다.

연구진은 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인 할 수 있는 범밀도함수 이론을 활용한 계산을 통해, 질소와 탄소로 이리듐의 흡착 및 탈착 에너지를 조절하는 방법을 고안했다. 이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히는 물질이다. 하지만 수소발생반응을 위한 수소 원자를 흡작하는 부분에 어려움이 있었다. 수소 원자가 이리듐 표면에 붙는 데 필요한 에너지가 높기 때문이다. 이번 연구에서는 이리듐의 흡착 에너지를 낮추는 데 '질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질을 조절하는 방법'을 제안했다. 이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질이 큰 질소와 탄소를 적절히 배치해 수소 원자를 당기는 힘을 키워준 것이다.

연구진은 이 내용을 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 '범밀도함수 이론'으로 계산했다. 이론적 계산 결과를 검증하기 위해 가운데 공 모양의 빈 공간을 갖는 '이리듐-질소-탄소(IrHNC)' 촉매를 합성했다. 공 모양의 플라스틱 입자 표면에 세 원소를 입힌 후 플라스틱을 제거하는 방식을 쓰자, 속 빈 원형의 입자 표면에 이리듐과 질소, 탄소가 균일하게 분포됐다.

이 촉매의 전기화학적 수소발생 성능을 산성 환경에서 확인한 결과, 백금 촉매와 순수한 이리듐 나노입자보다 훨씬 뛰어났다. 또 열분석장비로 살펴본 결과 귀금속인 이리듐 함량도 7% 정도로 확인됐다. 이리듐 역시 귀금속이지만 소량만 사용하면서 값싼 탄소와 질소와 섞어 고효율 촉매를 만들어낸 것이다.

백종범 교수는 "질소나 탄소에 비해 상대적으로 가격이 고가인 이리듐을 아주 소량만 사용해 고효율 촉매 개발에 성공했다"며 "상용화될 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것"이라고 설명했다. 이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 최근 게재됐다.