물로 수소 만드는 장치 효율이 향상됐다

UNIST, 수전해장치 양극용 페로브스카이트 산화물 합성법 개발
귀금속 대체해 재료비용 낮추고 수전해장치 성능 향상 이끌어내

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 박혜성 교수팀이 물을 전기분해해 수소를 만드는 장치의 효율을 끌어올리는 양극소재 제조기술을 개발했다. 페로브스카이트로 수전해장치 부품을 만들면 이리듐, 루테늄 등 귀금속이 아닌 소재를 사용해 재료비용을 낮출 수 있다.

박혜성 교수는 수전해장치의 양극에 사용할 페로브스카이트 산화물을 칼코겐 화합물 위에 합성하는 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 이렇게 만든 양극 소재는 1㎠당 10㎃에서 210㎷의 전기를 사용해 산소를 만들어냈다. 연구진은 "이는 기존의 소재 성능을 뛰어넘는 것"이라고 설명했다.

수전해장치는 물을 전기분해로 수소를 만드는 장치로 음극에서 수소가, 양극에서 산소가 나온다.

양극과 음극 중 한쪽이라도 성능이 떨어지면 그에 맞춰 물 분해 속도와 전기사용량이 정해진다. 지금까지 수소가 만들어지는 음극소재는 좋은 재료가 개발됐지만, 산소가 나오는 양극은 아직도 성능과 비용 등이 뛰어난 소재를 찾기위해 노력중이다.

연구진은 귀금속을 대체할 양극 소재로 페로브스카이트 산화물에 집중했다. 페로브스카이트 산화물은 구성 원소와 전자 구조의 품질을 높이기 쉬운 것으로 알려졌다. 하지만 귀금속 촉매 대비 산소발생 효율이 낮다. 통상적으로 촉매의 표면 결정 구조와 전자 구조는 물로부터 수소와 산소를 생산하는 반응과정에서 생성되는 중간 생성물과의 흡·탈착 반응과 직결되는 특성이다. 따라서 이를 제어하는 기술이 매우 중요하다.

연구진은 촉매의 표면이 물과 최대한 많이 접촉하는 구조를 만들어 내기 위한 합성법을 찾아냈다. 반응성이 높은 페로브스카이트의 결정 구조와 유사한 원자 간격을 가지고 있으며, 전자를 끌어당기는 힘이 강한 이차원 소재를 성장기판으로 활용하는 것이다.

이차원 소재 위에 직성장을 통해 합성된 페로브스카이트 산소 발생 촉매는 귀금속 촉매인 이리듐 산화물보다 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하며 뛰어난 산소 발생 효율을 보였다.

이번 소재 개발에 참여한 김웅수 박사과정생은 "촉매의 효율 향상을 위한 핵심 요소를 제어하기 위한 성장기판의 특성을 밝히고 이를 촉매 물질 설계에 적용해 고성능 촉매를 개발할 수 있었다"고 말했다. 또한 박혜성 교수는 "이 합성법은 수전해 촉매 뿐만아니라 다양한 촉매 합성에 응용 가능하다는 점에 있어 의미가 있다"고 설명했다.

한편, 박혜성 교수팀은 동국대 융합에너지신소재공학과 한영규 교수팀과 공동연구로 개발한 이 소재를 저명한 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자