성균관대 등, ‘숨은 산소’ 깨워 그린 수소 만든다

- 차세대 물 분해 촉매 원천기술 개발

- 비싼 귀금속 의존 탈피, 아연-공기 전지 적용 가능

연구진 사진. 교신저자 성균관대 기계공학부 정형모 교수, 경북대 신소재공학과 이지훈 교수, 주저자 성균관대 기계공학부 권순형 연구원. (자료제공: 성균관대)

하향식(Top-down) 소재 설계 기술을 활용한 원자 결합 제어 원리, 전기화학적 반응 경로 및 이를 활용한 에너지 변환 장치. (자료제공: 성균관대)

성균관대학교(총장 유지범)는 기계공학부 정형모 교수 연구팀이 경북대학교 신소재공학과 이지훈 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 원자 단위의 결합 간격을 정밀하게 제어하여 소재 내부에 숨겨진 ‘격자 산소’를 반응에 직접 참여시키는 고효율 비귀금속 물 분해 촉매 소재를 개발했다고 5월 18일 밝혔다.

온실가스 배출 없이 깨끗한 수소를 생산하는 수전해(물 분해) 기술은 탄소중립 실현을 위한 꿈의 기술로 불린다. 하지만 물을 분해하여 수소를 얻는 과정에서 산소가 발생하는 반응은 그 속도가 매우 느려, 전체 수소 생산 효율을 떨어뜨리는 가장 큰 ‘병목 현상’으로 작용해 왔다. 이를 해결하기 위해 기존에는 이리듐(Ir)이나 루테늄(Ru) 같은 고가의 귀금속 촉매를 사용해야만 했으며, 이는 수소 생산 비용을 높이는 원인이 되었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘하향식(Top-down) 소재 설계 기술’을 도입했다. 전기화학적 방법을 통해 기존의 덩어리 형태 코발트 산화물을 2나노미터(nm) 이하의 미세한 나노 클러스터로 쪼개는 데 성공했다. 

이 과정에서 코발트 금속과 산소 원자 사이의 결합 길이를 기존보다 약 0.1 옹스트롬(A, 100억 분의 1미터) 수축시켜 미세하게 조절했다. 포항가속기연구소(PAL)의 고성능 분석 결과, 약 2.03 A의 원자 결합 길이가 새로운 반응 경로를 유도하는 최적의 조건임을 세계 최초로 규명해낸 것이다.

이 기술의 핵심은 금속과 산소 사이의 결합을 강하게 만들어, 촉매 내부 구조에 숨어있던 ‘격자 산소’를 반응에 직접 참여시킨 점에 있다. 이를 통해 개발된 나노 촉매는 고가의 상용 이리듐 촉매보다 더 낮은 에너지에서도 탁월한 성능을 발휘했다. 

특히 실제 시스템 적용 시 고전류 조건에서 100시간 이상 성능 저하 없이 구동되는 강력한 내구성을 증명했으며, 차세대 에너지 저장 장치인 아연-공기 전지에서도 우수한 충전 안정성을 보여주며 다목적 에너지 활용 가능성을 입증했다.

성균관대 정형모 교수는 “이번 연구는 원자 단위의 결합 거리를 미세하게 제어함으로써 촉매 반응의 경로 자체를 완전히 바꿀 수 있음을 실증한 성과”라며 “값비싼 귀금속을 대체해 고효율 그린 수소를 생산하는 것은 물론, 향후 다양한 차세대 친환경 에너지 장치의 상용화를 앞당기는 중요한 기준이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적 권위지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]