자연과학부 김광수 특훈교수 연구팀
저렴한 철로 수소 생산 비용 절감
상용 촉매보다 25% 이상 효율 개선
친환경 에너지 촉매 개발에도 유용
UNIST(울산과학기술원·총장 이용훈) 연구진이 수전해(물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해) 효율을 높이고 가격을 낮춘 촉매를 개발했다.
UNIST는 자연과학부 화학과의 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀이 물의 전기분해에 쓰일 저렴한 촉매로 ‘철·코발트 인산(FeCoPO4)’ 물질을 개발하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.
물 분해 반응에서는 수소와 산소를 만드는 반응이 각각 동시에 일어난다. 그런데 둘 중에서 산소 발생 반응은 상대적으로 속도가 느려 전체 물 분해 반응의 효율을 낮춘다.
이를 극복하기 위해 산화이리듐과 산화루테늄을 산소 발생 반응의 촉매로 써서 반응속도를 높이고 있지만, 안정성이 낮은데다 비싼 귀금속인 이리듐과 루테늄이 주성분이라는 한계가 있다.
연구진은 값싼 물질을 이용하면서 효율과 안정성이 높은 새로운 산소 발생 반응용 촉매를 개발했다.
설탄(Sultan) UNIST 화학과 박사과정 연구원이 고안한 산화 그래핀 지지대 위에 철(Fe), 코발트(Co), 인산(P)을 넣은 물질이다. 하미란 UNIST 화학과 박사과정 연구원은 연구 방향에 맞춰 철과 코발트가 인산과 결합해 만들어질 수 있는 다양한 조성의 물질을 슈퍼컴퓨터를 사용해 계산했다.
철·코발트 인산 촉매에서 산소 발생 반응은 철과 코발트 원자 위에서 일어난다. 이 원자 주위의 전자 분포와 화학결합이 산소 발생 반응의 효율을 결정하는데, 새로 개발한 촉매의 경우에는 첨가된 인산이 이 부분을 최적화하는 것으로 계산됐다. 연구팀은 이렇게 이론적으로 예측된 물질을 합성해 실험적으로 입증했다.
철·코발트 인산 촉매는 상업용으로 쓰이는 산화이리듐 촉매보다 25% 이상 개선된 효율을 보였다. 새롭게 합성된 물질은 성능뿐 아니라 안정성도 뛰어났다. 5000번 이상 반응한 후에도 구조적으로 크게 변하지 않았고, 70시간 동안 반응을 지속해도 반응성이 떨어지지 않았다.
김광수 교수는 “값비싼 상용 촉매보다 산소 발생 반응성이 훨씬 개선된 데다 수백 배 저렴한 촉매가 개발됐다”며 “앞으로 연료전지 등 여러 친환경 에너지 물질의 촉매 개발에도 유용할 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 에너지 분야 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션’에 지난 15일자로 출판됐다.
김봉출기자 kbc78@ksilbo.co.kr