전기화학 반응의 적용을 위한 촉매 및 이의 제조 방법

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 수소 발생 반응 촉매: 주로 백금(Pt) 기반 촉매가 사용되지만, 높은 비용과 제한된 가용성으로 인해 상용화에 어려움이 있습니다.

• 단일 원자 촉매(SAC)의 한계: 원자 경제성은 높지만, 구조의 단순성으로 인해 활성 부위를 추가로 수정하거나 성능을 고도화하는 데 한계가 존재합니다.

기술의 필요성

• 고효율, 저비용 촉매 개발: 고가의 백금을 대체하면서도 유사하거나 더 뛰어난 성능을 보이는 새로운 구조의 촉매가 필요합니다.

• pH 범용성 확보: 산성, 중성, 염기성 등 다양한 환경에서 안정적으로 작동하는 pH-범용 촉매의 확보가 중요합니다.

• 다양한 전기화학 반응 적용: 수소 발생 반응뿐만 아니라 이산화탄소 환원, 질소 환원 등 복잡하고 중요한 화학 반응에 적용할 수 있는 새로운 촉매 설계 방법이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 핵심 구조: 질소가 도핑된 탄소 매트릭스에 2종의 단일 원자 금속이 결합한 형태의 '단일 원자 이량체(Single Atom Dimer, SAD)'를 포함하는 촉매입니다.

• 작동 메커니즘: 질소-탄소 구조체에 고정된 단일 원자 이량체가 시너지 효과를 발휘합니다. 예를 들어, Ni-Co 이량체에서 코발트(Co) 부위가 물 분자를 흡착하면, 니켈(Ni) 부위가 물 분해 에너지 장벽을 낮춰 반응 효율을 극대화합니다.

• 안정성 확보: 탄소 매트릭스 내 질소 원자가 단일 원자 금속을 안정적으로 고정하여, 반응 중 금속 원자들이 응집되어 나노 입자를 형성하는 것을 방지하고 촉매 활성을 유지합니다.

구체적인 구현 방법

1. 전구체 혼합: 탄소 매트릭스 전구체(예: 도파민)와 단일 원자 금속 전구체(예: Ni, Co 염 용액)를 트리스 버퍼 용액에서 혼합합니다.

2. 탄소 중합체 형성: 도파민을 자가 중합시켜 금속 이온을 내부에 포함하는 폴리도파민 탄소 중합체를 형성합니다.

3. 질소 도핑 및 열처리: 형성된 탄소 중합체를 질소 공급원(예: 시아노구아니딘)과 혼합한 후, 약 800℃의 고온에서 열처리하여 질소가 도핑된 탄소 매트릭스 내에 단일 원자 이량체가 안정적으로 형성된 최종 촉매를 제조합니다.

기술의 장점

• 저렴한 제조 단가: 고가의 백금 대신 니켈, 코발트 등 저렴한 금속을 사용하여 제조 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다.

• 우수한 성능 및 안정성: 백금 촉매와 유사한 수준의 높은 수소 발생 성능을 보이며, 산성 및 염기성 환경 모두에서 높은 안정성과 재현성을 가집니다.

• 높은 원자 경제성: 반응에 직접 참여하는 원자만을 사용하므로 HER 질량 활성(금속 g당 H2 생성량)이 기존 나노 입자 촉매보다 우수합니다.

• 합성 경로의 일반성: 다양한 금속 조합의 단일 원자 이량체를 합성할 수 있는 일반적인 경로를 제공하여, 여러 복합 촉매 반응에 맞춤형으로 적용할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 새롭게 합성된 단일 원자 이량체 촉매(NiCo-SAD-NC)의 구조적 특성을 규명하고, 기존의 상용 백금 촉매(Pt/C) 및 금속 나노 입자 촉매(NiCo-NP-NC)와 비교하여 수소 발생 반응(HER)에 대한 전기화학적 성능과 안정성을 평가하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 촉매 합성: 실시예 1의 방법에 따라 NiCo-SAD-NC 촉매를 제조했습니다. 비교를 위해 질소 공급원 없이 열처리한 NiCo-NP-NC(비교예 1)와 금속염 없이 제조한 탄소 매트릭스(비교예 2)를 준비했습니다.

2. 구조 분석: XRD(X선 회절), HADDF-STEM(고각 환형 암시야 주사 투과 전자 현미경), XANES/EXAFS(X선 흡수 분광법) 분석을 통해 촉매의 결정 구조, 원자 배열 및 결합 상태를 확인했습니다.

3. 성능 평가: 1.0 M KOH(염기성) 및 0.5 M H₂SO₄(산성) 용액에서 LSV(선형 주사 전압 전류법)를 측정하여 과전압과 타펠 기울기(Tafel slope)를 분석하고, 촉매의 수소 발생 효율과 반응 동역학을 평가했습니다.

실험 결과

실험 결과, 본 기술에 따른 NiCo-SAD-NC 촉매는 산성 및 염기성 매질 모두에서 상용 Pt/C 촉매와 필적하는 우수한 수소 발생 성능을 보였습니다. 특히, 금속 나노 입자로 구성된 NiCo-NP-NC 촉매에 비해 현저히 낮은 과전압을 요구하여, 단일 원자 이량체 구조가 촉매 활성을 극대화함을 입증했습니다. HADDF-STEM 및 EXAFS 분석을 통해 Ni과 Co 원자가 약 0.24 nm 간격으로 결합된 이량체 구조를 형성하고 있음이 명확히 확인되었습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 그린 수소 생산: 물의 전기분해를 통한 고효율, 저비용 수소(H₂) 생산용 전극 촉매로 활용됩니다.

• 탄소 자원화(CCU): 이산화탄소(CO₂)를 에탄올, 아세톤 등 유용한 화학물질로 전환하는 전기화학적 환원 반응에 사용될 수 있습니다.

• 친환경 암모니아 합성: 질소(N₂)를 환원시켜 친환경 비료의 원료인 암모니아(NH₃)를 생성하는 반응에 적용 가능합니다.

기대효과

• 수소 경제 활성화 기여: 수소 생산 단가를 낮춰 수소 에너지의 경제성을 확보하고, 수소 사회로의 전환을 가속화합니다.

• 탄소중립 실현: 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하여 탄소 감축 목표 달성에 기여합니다.

• 차세대 촉매 플랫폼 기술 확보: 다양한 금속 조합을 통해 맞춤형 촉매를 설계할 수 있는 원천 기술을 확보하여, 에너지 및 환경 분야 전반에 파급 효과를 가져올 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 적용될 수 있는 청정수소 및 CCUS(탄소 포집, 활용, 저장) 시장은 탄소중립 시대의 핵심 성장 동력으로 주목받고 있습니다. 딜로이트 그룹은 글로벌 청정수소 시장이 2030년 약 6,420억 달러에서 2050년 약 1조 4,000억 달러 규모로 성장할 것으로 전망했습니다. 또한, CCUS 시장은 아직 초기 단계이지만, Market and Markets(2020)는 연평균 17.0%의 높은 성장률을 보일 것으로 예측하며 기술의 중요성을 강조했습니다.(출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 수전해 및 CCUS 기술은 높은 성장 잠재력으로 인해 글로벌 에너지 기업, 화학 기업, 그리고 전문 기술 스타트업들이 활발히 기술 개발 경쟁을 벌이고 있습니다. 시장 초기 단계인 만큼, 촉매 효율, 내구성, 가격 경쟁력을 확보하는 기술이 시장 선점의 핵심 요소로 작용할 것입니다. 아래는 CCUS 시장 규모에 대한 여러 시장 조사 기관의 분석입니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 강화되는 환경 규제: 파리협정 및 각국의 2050 탄소중립 선언에 따라 온실가스 감축의 중요성이 커지면서, CCUS와 그린 수소 생산 기술에 대한 정책적 지원과 투자가 확대되고 있습니다.

2. 재생에너지 연계 필요성 증대: 태양광, 풍력 등 재생에너지의 간헐성 문제를 해결하기 위해 잉여 전력을 활용하여 수소를 생산하거나 유용 물질을 합성하는 P2X(Power-to-X) 기술의 핵심 요소로 주목받고 있습니다.

3. 민간 기업의 자발적 참여: ESG 경영이 확산됨에 따라, 민간 기업들의 자발적인 탄소 감축 노력과 친환경 기술 투자가 시장 성장을 견인하는 주요 동력으로 작용하고 있습니다.(출처)