연구성과

화학 이인수 교수팀, ‘샌드위치’ 촉매로 더 많이, 더 오래

2020-08-19 310

[수소 발생 촉진하는 나노 다공성 백금 겹 촉매 개발]


18세기 귀족들이 오랜 시간 동안 카드 게임에 열중하기 위해 빵과 빵 사이에 고기나 채소를 넣어 간편하고, 빠르게 먹을 수 있도록 만든 음식이 바로 ‘샌드위치’다. 이 효율적인 음식은 열량이나 영양도 뛰어나다. 화석연료의 대체 에너지로 주목받고 있는 수소에너지를 얻는데도 이 샌드위치 방식이 뛰어나다는 사실을 POSTECH 연구팀이 밝혔다.

화학과 이인수 교수, 통합과정 장선우씨, 슈만 듀타(Soumen Dutta) 박사 연구팀은 물 분해를 촉진해 수소에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 ‘샌드위치 구조 촉매’를 개발했다. 이 연구는 미국화학회 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’지에 최근 발표됐다.

‘수소연료전지’는 산소(O₂)와 수소(H₂)가 물(H₂O)을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경적 발전(發電)장치이다. 최근 수소전기차가 출시되고 가정에도 수소연료전지가 보급되면서, 수소는 화석연료를 대체할 차세대 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 태양광이나 풍력에서 얻어지는 잉여전류를 사용해 물을 분해하고 수소를 생성하는 방법은, 고순도의 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 쉬우면서 친환경적인 방식으로 여겨진다. 하지만, 이 방법은 생산 효율이 낮고 비용이 높다는 단점이 있다. 물 전기분해를 통해 생산되는 수소연료의 단가를 낮추기 위해서는 수소발생 효율을 극대화할 수 있는 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다.

백금(Pt)은 수소생성 반응에 가장 적합한 촉매 물질로 여겨져 왔지만, 물 분자에 대한 낮은 친화도와 이에 따른 느린 물 분해 속도 때문에 알칼리 전해질 조건에서 이루어지는 상업적인 공정에 적용하는 데에 어려움이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 물 분해반응을 촉진하는 금속-수산화물을 백금 나노입자와 결합하려는 많은 시도가 이루어졌으나, 백금/금속-수산화물 계면의 불안정한 특성으로 인해서 촉매의 내구성이 크게 저하되는 또 다른 약점을 노출하게 된다.

연구팀은 촉매의 효율과 내구성을 동시에 향상하기 위해서 2차원 형태의 백금/금속-수산화물 계면을 설계했다. 수 나노미터(nm) 두께의 박리된 니켈/철-수산화물 표면에 약 1nm의 백금층을 성장시키는 독창적인 방법으로 다공성 2D-백금-나노판 사이에 2D-니켈/철-수산화물-나노판이 끼어 있는 샌드위치 형태의 2D-2D 나노하이브리드 물질을 합성하는 데에 성공했다.

합성된 샌드위치 촉매는 넓은 2D-2D 계면에 걸쳐서 밀접하게 접촉하고 있는 금속-수산화물과 백금 사이에서 상호보조적인 촉매 효과가 일어난다. 이때 기존의 촉매 물질(20%-Pt/C)에 비해서 6배 이상 높은 활성을 나타냈으며, 50시간이 넘는 장시간의 물 분해 수소생산 과정에서도 활성의 감소 없이 촉매 기능을 안정적으로 유지하는 것으로 확인됐다.

연구를 주도한 이인수 교수는 “샌드위치 촉매는 탄소 지지체를 사용하지 않는 물질 중에서 가장 높은 알칼리 용액 수소 발생 촉매 활성을 지니면서도, 불과 3~5시간 정도에서 안정적인 유사 전기화학 촉매보다 크게 향상된 내구성을 보이는 촉매 물질이다”며 “경제성 높은 수소 생산공정을 개발하는 데에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다.