화석연료로 수소경제?.. 수전해 해법 제시

촉매 실증 실험에서 사용한 '알칼리 음이온 교환막 물 전기분해조'의 모형

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 '백색 수소'를 상용화하는데 필요한 촉매제를 개발했다. 물을 분해해 수소를 얻는 수전해의 효율성을 높이는 촉매제다. 이 촉매제는 화석연료에서 얻는 '회색수소'를 대체하고, 친환경 수소경제를 구현하는데 기여할 것으로 예상된다.

김광수 울산과학기술원 자연과학부 화학과 교수의 연구팀은 이론적 계산을 통해 물전기 분해 효율을 높일 '금속 유기물 복합체' 촉매를 개발해, 관련 성과가 에너지 분야 학술지인 '에너지 앤드 엔벌로먼탈 사이언스'에 소개됐다고 4일 밝혔다.

금속유기골격체로 산소반응 속도 높여

연구팀은 시뮬레이션을 통해 니켈과 철을 포함한 금속유기골격체를 구성해 수전해를 촉진하는 촉매제를 개발했다. 수전해는 전기로 물을 분해해 수소와 산소를 생산하는 방식이다. 다만 이 과정에서 산소의 발생 반응 속도가 느려, 수소 생산의 속도까지 낮추고, 이는 수소 생산성 저하로 이어져, 상용화에 어려움이 있는 수소 생산법이다.

연구팀은 금속과 유기물이 건축물의 철근처럼 뼈대를 이루는 금속유기골격체를 구성해 산소 반응의 속도를 높였다.

연구팀의 탕가벨 박사과정 연구원은 "금속 유기 골격체는 전기전도성이 낮고 불안정하다는 단점이 있어, 전도성이 높고 안정적인 그래핀을 접목했다"며 "이를 통해 높은 효율을 보이는 산소 발생 반응 촉매를 개발할 수 있었다"고 설명했다.

수전해 상용화 가능 수준의 효율

김광수 교수(왼쪽 하단) 연구팀이 단체 사진을 촬영하고 있다.

이번에 개발 된 촉매는 기존 산화이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로(과전압) 많은 양의 수소(전류밀도)를 생산해 낼 수 있다. '알칼리 음이온 교환막 수전해 장치'를 만들어 실제 촉매의 성능을 평가한 결과 300 mV(밀리볼트) 전압에서 단위 면적(cm2)당 0.5 A(암페어)의 전류 밀도를 달성했다. 이는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이다. 특히 이 촉매제는 1000시간 이상 작동에도 우수한 내구성을 나타냈다. 특히 촉매제를 구성하는 금속유기골격체는 기존 촉매제로 사용 중인 이리듐보다 가격 경쟁력까지 갖췄다.

김광수 교수는 "이번 연구를 통해 느린 ‘산소 발생 반응’ 속도 문제를 개선했을 뿐만 아니라, 기존 상용 촉매의 가격과 안정성 문제도 동시 해결할 수 있었다"며 "개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용될 수 있을 것"이라고 말했다.