KIST 연구팀, 스스로 촉매 변신하는 물 분해 전극 소재 개발

한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사팀이 저가형 금속 소재인 니켈을 이용해 고효율의 물 분해 촉매전극을 만들 수 있는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

이 기술은 수소 생산뿐만 아니라, 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 미래 기술인 인공광합성 분야의 물 산화 촉매로도 응용가능한 것이 특징이다.

물 분해 수소생산 기술에는 크게 두 가지 중요 촉매 기술이 필요한데, 한 가지가 물을 분해해 산소를 만들어 내는 물 산화 촉매이고 다른 하나는 수소이온을 환원시켜 수소를 만드는 촉매 기술이다.

 

자발적 변신에 의해 형성된 고활성 니켈 폼(상단)과 이 촉매를 구성하고 있는 물질 및 형태를 도식으로 나타낸 모습 [사진=KIST]

이 중 물을 분해해 산소를 만들어 내는 반응이 훨씬 더 많은 에너지를 요구하는 어려운 반응이며, 아직까지 저가 소재를 기반으로 한 고성능의 촉매가 개발 되지 못한 상태다.

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기존에 이리듐, 루테늄 등의 희귀 고가 소재로 이루어진 촉매전극으로 높은 성능의 결과가 보고됐으나, 대량생산 및 상용화를 위해서는 저가 소재를 이용해 고효율 촉매를 만들 수 있는 기술 개발이 절실한 상황이었다.

KIST 연구진은 다공성의 니켈 폼(Ni foam)을 이용해 단순히 황(Sulfur) 기체 조건에서 열처리 한 후 물 분해 반응을 진행시키면, 처음 황 기체에 의해 황화가 된 니켈 폼의 표면이 물 분해 활성이 매우 높은 형태(니켈하이드록사이드(Ni(OH)2/NiOOH))로 자발적으로 전환되면서 고효율의 물 분해 촉매로 변신하는 현상을 발견했다.

연구진은 이러한 간단한 공정을 통해 만든 촉매전극을 개발해, 세계 최고 수준의 고성능(과전압 256 mV @ 10 mA/cm2)을 나타냈다. 특히 이렇게 만들어진 촉매는 중성 pH 조건에서도 잘 작동하는 것이 검증돼 향후 인공광합성 시스템에 활용돼 효율과 내구성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

KIST 민병권 센터장은 “이 기술은 저가이면서 대량생산이 가능한 소재인 니켈 폼을 이용해 매우 간단한 황화 열처리만으로 고효율의 물 분해 촉매 전극을 제조할 수 있다는 것이 장점으로 향후 물 분해 수소 생산 기술의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행됐다. 연구결과는 촉매 분야 최고 수준의 과학전문지인 응용촉매B(Applied Catalysis B: Environmental)’ 최신호에 게재됐다.