수소는 지역적 편중 없이 세계적으로 풍부하고 보편적인 친환경 에너지 자원이지만, 물이나 유기화합물 형태로만 존재해 별도의 분리 기술 연구가 선행돼야 한다.
현재 대부분의 수소는 석탄이나 석유, 천연가스와 같은 화석연료로부터 분리해내는 방식을 통해 주로 생산되고 있는데 제조단가는 저렴한 반면 생산과정에서 온실가스를 배출하고 환경오염을 유발한다는 단점이 있다.
그에 반해 수전해 기술은 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술로, 제조공정이 친환경적이어서 최근 연구개발이 매우 활발한 분야이다.
하지만 현재 기술력으로는 수전해 수소 생산에 백금과 같은 고가의 귀금속 기반 촉매를 필요로 해 상용화에 어려움을 겪고 있다.
공동연구팀은 수전해 기술 상용화의 핵심이 고효율 저단가 촉매 개발에 있다고 보고 함께 연구를 진행했다.
수전해 촉매 효율 향상을 위해서는 전기분해가 잘 될 수 있도록 전기전도도가 우수해야 하고 촉매 표면의 흡착 기능도 뛰어나야 한다.
연구팀은 먼저 촉매 표면에 화학적 표면 식각(蝕刻) 공정을 적용해 전기전도성이 우수한 니켈보라이드(Ni2B)와 반응물 흡착에 유리한 니켈하이드록사이드(Ni(OH)X)를 동시에 형성할 수 있는 원천기술을 개발했다.
그리고 이를 기반으로 효율적인 촉매 반응을 일으킬 수 있도록 전하 전달과 표면 흡착을 한 번에 최적화시킬 수 있는 새로운 촉매 소재 설계 패러다임을 제시했다.
이 방식으로 제조된 촉매를 사용할 경우 기존 귀금속 촉매에 상응하는 내구성에 수소 생산효율도 10%가량 높일 수 있으며 촉매 가격은 기존 대비 약 40% 수준으로 절감될 것으로 예상된다.
생기원 김강민 박사는 “수소 촉매뿐만 아니라 배터리·연료전지·슈퍼캐패시터(Super-Capacitor) 등 에너지 전환 및 저장 소자에도 적용할 수 있는 기술”이라며 “수소산업 생태계 조성 및 그린뉴딜 선도에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구성과는 2020년 9월 소재 분야 해외 유명 저널인 ‘Advanced Functional Materials’의 표지 논문으로 선정돼 온라인상에 게재됐다.
/천안=박희윤기자 hypark@sedaily.com
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