수소가 친환경 미래 연료로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문이다. 그런데 물 분해는 생산단가가 높아, 대부분의 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 얻고 있다. 즉 물 분해의 높은 비용 때문에 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 있었던 것이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진은 원가가 20배 싸면서 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다. 이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다.

수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해다. 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 것이다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 되었다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO₂)과 이리듐 산화물(IrO₂)이 쓰이지만, 가격이 1kg 당 7만 달러가 넘는데다 24시간 이상 지속되기도 어려웠다.

연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했다. 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다.

높은 성능의 촉매를 만들기 위해서는 속도 결정 단계가 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 4단계를 거쳐 만들어진다. 이 중 산소 발생 직전 단계인 OOH^*1)는 안정화가 어려워 다음 단계인 산소 발생 효율이 낮았다. OOH* 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH^*가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다.

연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH^*를 안정화시킬 것이라고 예상했다. 이에 따라 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다. 그 결과 촉매 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 높음을 확인했다. 여기에 루테늄 원자를 더해 속도 결정단계에서 에너지 장벽을 줄이고, 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다.

이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많았고, 훨씬 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다. 산소 발생속도가 빠를수록 전류밀도²⁾가 증가하는데, 기존 산화 루테늄(RuO₂)은 제곱센티미터 당 10 밀리암페어(mA/cm²)의 전류 밀도를 얻기 위해 298 밀리볼트(mV)을 필요로 했다. 반면 연구진이 개발한 전기촉매는 180 밀리볼트가 필요하다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율이 높다는 뜻이다.

또한 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었다. 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 되어 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했다.

이효영 부연구단장은 “물 분해를 통한 친환경 수소를 석유·석탄 부생 수소보다 싼 가격으로 만드는 일은 오랫동안 한계에 직면해 있었다.”며, “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental science, IF 30.287)' 지에 11월 4일 온라인 게재됐다.

그림설명

▲ [그림1] 녹색수소 경제전기 물 분해를 통해 얻은 수소는 탄소를 배출하지 않는 깨끗한 에너지원으로, 저렴하게 에너지를 운반하는 효율적인 에너지 수송자로서의 역할을 할 수 있다.

▲ [그림 2] 개발한 전기촉매 결정 구조 및 물 분해 과정(왼쪽) 개발한 촉매 합금의 결정 구조. 표면에 산소(붉은색)을 부착했다. (오른쪽) 전기 물 분해 반응을 통해 산소와 수소를 발생시킨다.

▲ [그림 3] 개발한 고효율 전기촉매 성능 평가(왼쪽) 이번에 개발한 촉매(파란색)는 같은 전위(기준전극 대비 전위- 전해질에 상관없이 표준화한 전위)에서 6배 가량 높은 전류 밀도 즉, 산소량을 보인다. 때문에 산소 발생 성능은 기존 촉매 대비 월등히 우수함을 볼 수 있다. (오른쪽) 이번 연구의 촉매(파란색)이 기존 촉매와 비교해 가장 낮은 전압으로 같은 전류밀도(산소량)에 도달해, 에너지가 가장 적게 든다.

▲ [그림 4] 산소 발생 반응 메커니즘가로축은 전기분해 중 산소 발생 단계, 세로축은 각 단계의 에너지를 뜻한다. 녹색은 루테늄이 없을 때, 파란색은 루테늄 원자가 있을 때의 에너지 모식도. 루테늄 단일원자가 속도 결정단계(Rate Determining Step)에서 에너지 장벽을 줄였다. 아래는 촉매에서 일어나는 반응으로, M은 촉매가 된 금속이다. 은색은 루테늄, 코발트는 파란색, 철이 금색, 빨간색은 산소, 작은 흰색이 수소다.