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효율↑·가격↓‘고성능촉매’…수소에너지 상용화 지원군 나섰다

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- 값비싼 귀금속 촉매 사용 대체할 고성능 수전해 촉매 개발 잇따라

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[123rf]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 지구온난화로 인한 환경 문제와 에너지 위기를 해결하기 위해 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 벗어나 친환경적이고 지속가능한 수소에너지로 전환하려는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 수소가 친환경 미래 에너지로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문이다. 하지만 아직까지 물 분해(수전해)는 다른 에너지에 비해 생산단가가 높아 대부분의 수소는 석유 정제과정에서 발생하는 부산물에서 얻고 있는 상태다. 특히 수소발생반응을 촉진하는 역할을 하는 촉매는 고가의 백금을 함유한 촉매를 필수적으로 사용해야 하기 때문에 다른 방법들만큼 가격경쟁력을 확보할 수 없었다.

이런 가운데 최근 국내 연구진이 수소 생산효율을 크게 높일 수 있는 다양한 연구개발(R&D) 성과를 잇따라 내놓으면서 수소경제 실현에 청신호를 밝히고 있다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 조은애 교수팀은 촉매에 사용되는 귀금속을 50% 줄인 수전해 전극을 개발했다. 현재 수전해에서는 매장량이 백금의 10분의 1에 불과한 귀금속인 이리듐을 촉매로 사용하고 있다. 연구팀이 개발한 촉매를 사용해 실제 수전해 시스템을 제작한 결과, 이리듐 사용량을 50%나 줄였음에도 불구하고 기존 상용 촉매와 동일한 성능을 나타냈다.

포스텍 신소재공학과 김종규 교수팀은 값싸고 쉽게 구할 수 있는 니켈을 촉매 전극으로 사용해 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 제안했다.

연구팀은 최적의 물질, 최적의 나노 구조 조합을 통해 귀금속 백금 촉매를 대체할 수 있는 고활성·고안정성 비귀금속 ‘3차원 나노 스프링 촉매 전극’을 구현했다. 이렇게 제작된 나노 스프링 어레이 구조는 기존 니켈 박막 촉매와 비교해 과전압을 4배 이상 감소시키는 등 수소 생산 효율을 극대화시킬 수 있음을 확인했다.

김종규 교수는 “이 연구는 지속 가능한 신재생에너지-수소 연료 전환시스템의 고효율화 및 실용화를 위한 학문적 토대뿐만 아니라 실용화의 단초를 제공한다는 점에서 큰 의미를 지닌다”며, “수전해 뿐만 아니라 이산화탄소 환원 기술, 광 에너지 변환 시스템, 연료 전지 등에 핵심 개념이 그대로 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

광주과학기술원 이재영 교수 연구팀은 값비싼 백금계 금속을 사용하지 않고 표면적이 넓은 다개바 구조와 활성점으로 변환이 쉬운 코발트 금속기반 촉매를 개발했다. 반응 중 확장되는 활성점과 개선된 반응물과의 흡착능으로 인해 개발된 촉매는 수전해 에너지 효율이 기존보다 13% 높아져 전력량 대비 수소생산량을 증대시킨 것으로 나타났다.
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티타늄 도핑된 인화 몰리브텐의 수소 발생 매커니즘 모식도.[KIST 제공]

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한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구단 유성종 박사팀은 백금을 사용하지 않는 비금속 소재 촉매를 개발했다. 이 촉매는 전이금속계 소재의 한계로 지적되던 높은 부식성을 해결, 기존 촉매보다 내구성이 26배 이상 향상됐다.

이외에도 울산과학기술원(UNIST) 김건태‧곽상규‧백종범 교수 연구팀도 저렴한 탄소화합물과 루테늄 금속을 이용해 우수한 안정성을 보이는 촉매를 개발해 수소에너지 상용화에 대한 기대감을 높이고 있다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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