비싼 백금 함량 확 낮춘 수전해 촉매 디자인

- 수전해반응의 필수촉매, 백금의 낮은 경제성 보완 기대

화석연료가 아닌 물에서 친환경적으로 수소를 얻으려는 연구가 활발한 가운데 수전해(water electrolysis) 과정에 쓰이는 촉매의 단가를 크게 낮출 수 있는 방법이 소개됐다.
  한국연구재단(이사장 노정혜)은 전기준 인하대학교 환경공학과 교수 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 과정에 필수적인 고가의 백금촉매에 필적할 새로운 저가형 촉매를 제안했다고 지난달 3일 밝혔다.
  차세대 에너지원의 하나로 그린수소에너지에 대한 관심이 높아지면서 물을 분해하여 수소를 얻는 수전해 기술에 대한 연구가 활발하다. 수전해를 돕는 촉매로 백금의 우수성은 잘 알려져 있었으나 고가의 백금 함량을 경제성을 지닐 정도로 충분히 낮출 수 있는지가 상용화의 관건이었다.
  연구팀은 백금에 아닐린1)을 첨가한 백금-아닐린 복합체를 채택, 백금 함량을 기존 음극재(백금 10%) 대비 1/5000배 수준으로 낮췄다. 이를 토대로 황(S)을 도입한 양자점2) 형태의 이황화백금(PtS2) 촉매를 디자인, 전기적 효율과 안정성을 모두 개선할 수 있었다.
  한편 연구팀은 촉매를 기판에 붙이는 별도 공정 대신 기판 위에 직접 이황화백금을 성장(화학기상증착법3))시키는 방법을 고안했다. 수전해 반응 중 기판과 촉매를 연결하는 바인더의 접착효과가 떨어지면서 안정성이 저하되는 것을 막기 위해 바인더 자체가 필요 없도록 만든 것이다. 이렇게 제작한 티타늄카바이드 기판은 기존 이산화티타늄 기판에 비해 전기저항이 약 12배 감소하였다. 실제 티타늄카바이드 기판에 이황화백금을 적용한 음극전극을 적용한 결과 기존 백금촉매 적용 음극과 거의 동일한 수준의 수소생산 효율을 보였다. 또한 강산 용액의 극한 환경에서도 60시간 이상 수준을 유지할 정도로 우수한 안정성을 보였다.
  연구팀은 향후 더 안정적이고 효과적인 수소생산을 위한 저가형 음극재 개발연구 및 실제 수소생산용 스택에 적용/연계를 추진할 예정이다.
  과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 나노소재원천 기술 개발사업, 기초연구사업 및 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 및 환경 분야 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’에 4월 15일에 온라인 게재됐다.

[주요 연구 내용]

1. 연구의 필요성

세계적으로 2050년 탄소중립에 맞춰 화석연료를 대체할 신에너지로 각광 받는 수소에너지 개발에 속도를 내고 있다. 방법은 다양하지만, 물을 전기분해하여 탄소배출 없이 고순도 수소를 얻는 수전해 방식이 주로 고려된다. 최근 이렇게 생산된 수소에너지는“그린수소 에너지”로 불리기도 한다.
  이러한 수전해 방식을 효율적으로 운영하기 위해서는 물을 수소와 산소로 분리할 때 쓰이는 전력 소모(과전압)를 줄이는 것이 관건이다. 따라서 과전압을 낮출 촉매가 필수인데, 잘 알려진 수전해 촉매로는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이라듐(Ir) 등이 있다. 하지만 이들은 모두 희소성을 가진 귀금속 촉매로 귀금속을 대체할 수 있는 촉매 개발이 필요하다.
  최근 귀금속 대체 촉매개발 연구동향으로는 전이금속 디칼코겐화합물4), 그래핀 같은 탄소계 촉매, 전이금속간 이종접합 화합물 등이 각광받고 있다. 또한 촉매의 형상이나 성분조성 등을 제어하여 최적화된 촉매 합성 방안을 제시되고 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 백금-아닐린 복합체를 이용해 백금의 효율과 안정성은 유지하되, 백금 함량을 최소화하고자 하였다. 벤젠고리를 가진 아닐린은 전이금속과 반응하여 전이금속의 환원 및 응집현상을 제어할 수 있는데다, 아민기의 질소에 의해 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 점을 활용하였다. 이후 황(S)을 도입하여, 전이금속 디칼코겐화합물 구조의 이황화 백금 (PtS2) 촉매를 합성하는 기술을 개발, 기존 백금 촉매 대비 백금 함량을 약 1/5000로 낮췄다. 2016년 Martin Pumera 연구팀(2016, Advanced functional materials)에 의해 이황화백금 촉매개발에 대한 연구결과가 보고되었으나, 상용적인 백금 촉매의 효율 수준을 넘어서기에는 한계가 있었다. 
따라서 연구팀에서는 합성된 전이금속 디칼코겐화합물 기반 이황화 백금을 자체개발한 티타늄카바이드(TiC) 박막에 클러스터 구조로 균일 하게 성장하였다. 최적공정을 통해 양자점 수준으로 구성된 이황화백금 촉매는 넓은 비표면적을 갖는 티타늄카바이드 박막에 효과적으로 상호작용이 유도되어, 촉매의 실질 반응 표면적을 비약적으로 넓힐 수 있었으며, 이는 헤테로구조5)의 촉매로서 활성을 도와 안정성 향상으로 이어졌다. 나아가 수소에너지 발생시 계면에서 일어나는 현상을 실시간으로 관측 가능한 분석기법을 개발/적용함으로써 이황화백금의 활성점과 실질적인 수소발생메커니즘을 규명하여, 개발된 촉매특성 결정 이론을 정립하였다.

3. 연구성과/기대효과

전이금속 디칼코겐화합물 기반 촉매에서 비교적 널리 알려지지 않은 이황화백금과 티타늄 산화층을 활용하여, 독특하게 성장된 티타늄 카바이드 박막 개발 기술을 확보하여, 상용적인 백금계 촉매 대비 고효율 및 고안정성을 지닌 향상된 수소발생용 음극을 개발하였다.
  더욱이 실시간 계면분석 기법을 활용하여, 촉매 활성점 및 표면 변화, 수소발생 메커니즘을 규명하였으며 이는 향후 수전해 기술의 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.

[그림 1] 실시간 라만분광법 분석 기반 촉매활성점 및 수소발생메커니즘 규명
연구팀에서 개발한 이황화백금-티타늄카바이드 전극 계면에서의 수소발생 메커니즘과 촉매활성점을 실시간으로 라만분광법 분석모델을 통해 관찰하였다. 그림제공 : 인하대학교 전기준 교수

[그림 2] 이황화백금-티타늄카바이드 전극의 수소생산효율 및 장기안정성 평가 
이황화백금-티타늄카바이드 전극의 수소발생효율 및 장기안정성에 대한 평가를 진행했다. 상용화된 백금 촉매와 유사한 활성도를 보였으며, 강산에서 우수한 장기 안정성을 보였다.
(그림제공 : 인하대학교 전기준 교수)

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