청정에너지 ‘수소’ 생산에 가장 효율적인 촉매 개발

유니스트 김광수 특훈교수(오른쪽 네째)와 연구팀. 사진 유니스트 제공

울산과학기술원 김광수 교수 연구팀

유니스트 김광수 특훈교수(오른쪽 네째)와 연구팀. 사진 유니스트 제공

울산과학기술원(유니스트) 연구팀이 화석연료를 대체할 미래 청정에너지원으로 떠오르는 수소를 생산하는 데 가장 에너지 효율이 높은 촉매를 개발해냈다.

유니스트는 최근 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수(국가과학자) 연구팀이 현재 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 에너지 소비 효율이 탁월한 물의 전기분해 촉매 물질 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 백금 촉매는 현재 물을 전기분해해 수소를 생산하는 데 가장 효율적인 촉매다. 하지만 백금이 희귀한 데다 값도 비싸 상업적으로 이를 대체할 만한 촉매 물질 개발이 꾸준히 진행돼 왔다.

김 교수 연구팀이 개발한 촉매는 백금과 같은 계열 금속이면서 비교적 값이 싼 루테늄을 기반으로 한 촉매다. 일반적인 루테늄 촉매가 염기성 용액에선 우수한 성능을 보이나 산성 용액에서 성능이 떨어지는 단점을 보완한 루테늄 단일원자와 질소화합 루테늄이 혼합된 구조다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학 계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아내, 수소 발생 반응을 활성화하는 능력이 탁월하면서도, 산·염기성 용액 모두에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매를 개발하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 촉매는 산·염기성 용액에서 모두 상업용 백금 촉매를 포함한 지금까지 알려진 전극 촉매 중 수소 생성에 드는 에너지 소비가 적은 7㎷의 과전압을 기록했다. 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율은 100%에 가까웠다.

김 교수는 “수소는 화석연료를 대체할 미래 청정에너지원으로 주목받지만 물을 전기분해해 이를 생산하는데 너무 많은 에너지가 들어가므로 적은 양의 에너지로 수소를 얻기 위한 연구가 세계적으로 진행되고 있다. 새로 개발한 촉매는 백금보다 훨씬 싸고 산·염기성 용액에서 모두 백금을 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다. 사용 환경에 영향을 덜 받아 액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소 발생 반응을 촉진하는 촉매로 사용 가능할 것”이라고 밝혔다.

한국연구재단과 한국과학기술정보연구원의 지원으로 이뤄진 이 연구결과는 독일의 에너지 분야 권위 있는 학술지 <어드밴스드 에너지 머티리얼스> 7월호 표지 논문으로 출판됐다.

신동명 기자 [e-mail]