친환경 미래 연료로 각광받는 수소는 물, 화석연료 등의 화학 성분으로 존재하기 때문에 이들로부터 추출해야한다. 이산화탄소 배출 없이 추출 가능한 그린수소 생산 기술은 물 전기 분해 방법¹⁾이 유일하다. 하지만 느린 산소 발생 반응으로 매우 높은 전압이 필요해 효율성이 낮다. 이에 낮은 전압에서도 수소 생산이 가능한 암모니아 또는 요소 산화반응에 대한 연구가 활발하다. 특히 대기압에서 기체인 암모니아와 달리 요소는 상온에서 고체이므로 운반 및 저장하기가 쉬워 수소원료로 활용 가치가 높다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 (단장 이영희) 이효영 부연구단장은 단일금속원자를 다량 탑재해 요소 산화 반응을 앞당길 고성능 촉매를 개발했다. 물 분해 방식보다 낮은 전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린 수소 생산에 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다. 또한 요소가 풍부한 폐수를 이용해 수소를 생산하면 그린 수소 생산뿐만 아니라 수질 오염 문제를 완화할 것으로 기대된다.

요소 산화 반응의 속도를 높이는 촉매로 귀금속 기반 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 금속 촉매가 쓰이지만, 매우 고가이며 장기간 작동 시 촉매 성능 및 안정성이 좋지 않다. 이에 최근 나노 물질 기반 촉매에 비해 탁월한 활성반응을 나타내는 단일 원자 촉매에 주목하고 있지만, 쉽게 이동하여 응집되는 경향으로 인해 많은 양의 단일 원자들을 탑재할 수 없는 문제가 있었다.

연구진은 단일 금속 원자의 초고중량 탑재 및 안정화를 위해 새로운 표면 변형 전략 방법을 개발했다. 액체 질소 담금질 방법을 사용하여 산화 코발트(Co3O4)표면에 변형을 생성했다. 급하게 냉각된 산화물 지지체 표면은 열팽창으로 인해 변형이 발생하고, 이런 표면에 로듐 단일 원자를 기존 중량대비 2배 더 많이 올려 안정화했다. 변형된 표면이 기존 표면에 비해 로듐의 이동 에너지 장벽을 크게 증가시켜 이동 및 응집을 억제할 수 있다는 것을 발견했다.

나아가 연구진은 로듐뿐만 아니라 백금, 이리듐 및 루테늄 기반 단일 원자들도 변형된 표면에서 고중량 탑재가 가능한 것을 발견했다. 또한 요소 산화 반응에 필요한 작동 전압으로 촉매 효율 평가 결과 상용화전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생되고 구조의 변화 없이 100시간 동안 장기간 안정성을 보였다. 특히 높은 전압으로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방법에 비해 약 16%의 에너지를 절약할 수 있다.

이효영 부연구단장은 “고효율 요소 산화 전기 촉매를 통해 단일 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 고중량 탑재 및 안정화를 해결했다.”며 “고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방식으로 생산이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental Science, IF 38.532) 誌에 9월 30일 온라인 게재됐다.

그림설명

[그림1] 변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도

[그림2] 요소 전기 분해를 통한 수소 생산 전기셀

[그림3] 요소 전기분해를 통해 낮은 과전압에서 그린 수소 생산 그림

[사진1] (왼쪽부터) 쿠마 아쉬와니 (제 1공동 저자), 이효영 교수 (교신 저자), 리우 싱휘 (제 1공동 저자)

1) 물 전기분해 방법: 전기에너지를 가해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해시키는 것