고성능 전기 촉매 개발로 그린수소 상용화 앞당긴다

박형호 연세대 교수팀
주석 산화물 에어로겔 소재 개발
수소변환 효율 22배 내구성 향상
디스플레이·연료전지 적용 가능

연세대학교 박형호 교수(사진)팀이 물에서 수소를 만드는데 필요한 촉매의 성능 향상 기술을 개발했다.

이 촉매는 미세한 구멍을 가진 에어로겔로 만들었다. 백금을 기존 장치보다 16분의 1만 사용해도 수소변환효율이 22배 높다. 또한 이 촉매는 1만번 이상 사용해도 성능이 떨어지지 않아 기존 촉매보다 5.4배 내구성이 향상됐다.

박형호 교수는 14일 "이번에 개발한 기술이 물을 전기분해해 수소를 만드는 장치를 상용화 하는데 중요한 기초기술"이라고 말했다.

■DNC 달성위한 그린수소

우리나라는 지난해 11월 영국 글래스고에서 열린 '제26차 유엔기후변화협약 당사국 총회'에서 2030년까지 국가온실가스 감축목표(NDC)를 상향해 2018년 대비 40% 이상 온실가스를 감축하겠다고 선언했다.

이를위해 석유와 석탄 등 지하자원을 대신해 탄소배출이 없는 수소를 에너지로 사용하는 기술을 개발하기 위한 연구가 한창이다.

그린수소는 탄소배출없이 생산된 수소를 말한다. 그린수소 생산방법으로는 물을 전기분해해 수소를 만드는 방식이 있다. 물에 전기를 통하게 하면 양극에서는 산소가, 음극에서는 수소가 만들어진다.

수소를 만들어내는 음극은 지금까지 백금과 탄소로 이뤄진 재료를 사용했지만, 사용 시간이 늘수록 성능이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 지금까지 알려진 재료는 전기가 잘 통하지 않고 물과 접촉하는 표면적이 좁아 효율이 낮다.

■불소 섞은 에어로겔

연구진은 음극이 물과 접촉하는 표면적을 넓히고 전기가 잘 통하게 하기위한 연구에 집중했다. 이를 위해 주석을 주 원료로 하는 에어로겔을 만들었다.

박 교수는 "에어로겔은 표면적의 99%가 빈공간이며, 나머지 1% 정도가 고체여서 20g의 금속만으로도 축구장만큼의 넓은 공간을 덮을 수 있다"고 설명했다.

에어로겔은 빈 공간이 많아 전기가 잘 통하지 않는데, 연구진은 이를 극복하기 위해 불소를 첨가했다. 여기에 다시 백금 나노입자를 코팅했다.

그결과 연구진이 만든 음극은 기존의 백금과 탄소를 사용한 촉매보다도 약 22배의 수소변환 효율을 나타냈다.

또한 1만번 이상 수소를 만들어내도 성능이 유지돼 기존 음극보다도 5.4배의 내구성을 갖게 됐다. 이와함께 음극의 형태가 에어로겔이어서 백금 사용량도 16분의 1로 줄일 수 있었다.

박 교수는 "이번에 개발한 기술은 넓은 표면적과 전기가 잘 통하게 만들어 수소 생산용 음극 뿐만아니라 디스플레이, 연료전지 등에 들어가는 소재에 적용할 수 있다"고 말했다.

[e-mail] 김만기 기자