수소‧산소 동시 생산하는 고성능 촉매 개발

청정에너지 수소연료 생산비용 절감으로 상용화에 기여

청정에너지 수소연료를 저렴하게 고순도로 생산할 수 있는 촉매가 개발되었다. 고려대 김동완 교수 연구팀이 귀금속이 아닌 재료를 사용해 수소와 산소를 모두 생산하는 양기능성 촉매를 개발했다고 한국연구재단이 15일 밝혔다.

물을 전기분해해 수소연료를 얻는 방식은 친환경적이지만, 경제적이지 않다. 주로 백금, 루테늄과 같은 귀금속이 촉매로 사용되며, 수소가 발생하는 양극과 산소가 발생하는 음극에 각기 다른 촉매를 사용해 비효율적이다. 수소연료가 상용화되기 위해서는 귀금속을 사용하지 않고 양쪽 전극에서 모두 기능하는 촉매 개발이 필요하다.

연구팀은 귀금속이 아닌 코발트-황(CoS2)을 기반으로 물 전기분해시 양극과 음극에 모두 사용할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다.

코발트-황 화합물은 2차원 나노시트가 자가조립(self-assembly)된 3차원 구조다. 연구팀은 이를 니켈(Ni)과 인(P)으로 치환하여 조성에 변화를 줌으로써, 촉매의 활성도와 안정성을 크게 향상시켰다.

특히 제조된 촉매는 수소 및 산소 발생 반응 모두 높은 활성을 보였고, 50시간 이상 측정해도 특성이 변치 않는 우수한 안정성을 나타냈다.

김동완 교수는 “이 연구는 코발트, 황 등 저가의 원료를 사용하여 손쉬운 공정을 통해 고활성 양기능성 물전기분해 촉매를 개발한 것”이라며, ”향후 이를 적용한 대용량 수소원료 생산 산업화에 기여할 것으로 기대된다“라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials) 10월 8일 온라인으로 게재되었다.

니켈(Ni)과 인(P)으로 치환된 삼차원 구조의 코발트-황(CoS2) 기반 촉매 제조 공정 코발트 아세테이트, 니켈 아세테이트, 암모니아수, 그래핀을 사용하여 수용액에서 코발트/니켈-수화물과 그래핀이 결합된 전구체(precursor)를 우선 합성하고 이어 황, 인과 차례대로 반응시켜 최종 결과물을 얻을 수 있다.

제조된 촉매의 수소/산소발생반응 및 장수명 특성 알칼리성 전해조에서 제조된 촉매의 특성 평가 시, 수소발생반응에서는 -10 mA/cm2 의 전류밀도에서 117 mV 의 과전압을, 산소발생반응에서는 10 mA/cm2의 전류밀도에서 285 mV의 과전압을 보였다.

각각을 양극과 음극에 적용하여 풀셀 측정 시 특성 감소 없이 50시간 이상 장시간 일정한 전류밀도를 보인다.

[e-mail] 조석장 기자