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KIST, 코발트계 촉매로 수소에너지 상용화

- 고효율·저가형 수소 발생 촉매 개발 - 친환경 물분해, 수소에너지 보급 기여

배종인|2015-07-08
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▲ 유성종 KIST 박사 
국내 연구진이 코발트계 화합물로 수소 생산용 촉매를 만드는데 성공해 고가의 귀금속 촉매를 대체할 것으로 기대를 모으고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 류재윤 연구원은 자체로 음극에서 높은 수소 발생성을 띄는 인화코발트 나노입자를 산화전위 산소발생 반응의 전구촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 8일 밝혔다.

수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다.

그 중 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시켜 공급하는 수소 스테이션 방법은 고순도의 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있지만, 건물크기 수준의 대용량 수조가 필요해 도심에서 쉽게 사용하기 위해서는 전극을 소형화해야 하는 등의 해결과제가 남아있다.

현재는 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 우수하지만 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구되고 있다.

전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 +극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이다.

+극은 반응은 4개의 전자가 관여되는 복잡한 반응이기 때문에, 음극의 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리고, 이런 이유로 산소 발생에 있어 높은 추가 전압(과전압)과 에너지를 필요로 한다.

따라서 가격이 낮으면서도, 추가 전압이 낮고, 안정성은 높은 양극 원료의 개발이 필요해 왔다.

유성종 KIST 박사팀은 기존 희소 귀금속인 이리듐 및 루세늄 기반의 산소발생 촉매와 비슷한 성능의 저가의 코발트기반 화합물로 촉매를 제작하고 산소발생이 일어나는 높은 전압조건에서 해당물질의 구조의 변화를 인과 코발트와의 상호작용을 통해 제어함으로써 산소 발생이 극대화된 촉매를 제작했다.

연구팀은 코발트와 인이 조합된 인화코발트 나노입자를 최종 촉매 물질의 전단계 상태의 물질인 전구체로 사용하게 되면 물질이 산소를 발생시키는 전압의 위치인 산화전위에 노출 될 때 자체적으로 물질이 조립되는 양상이 독특하다는 점을 발견했다.

연구팀은 인화코발트에 존재하는 포스페이트(인의 산화형 구조)가 나노입자의 변이과정에 관여되는 것으로 보이며, 궁극적으로 독특한 미세한 그물구조의 분산된 형태와 분자 클러스터구조를 갖게 된다고 밝혔다.

유도된 분자 클러스터 구조는 높은 산화수준을 유지해 산소 발생에 유리한 촉매환경을 극대화시킬 수 있다.

이렇게 활성화된 코발트 화합물은 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 소량만 사용해도 10 mA/cm2 의 전류를 얻는데 0.36 V 만의 낮은 과전압이 소요된다.

이는 최고의 귀금속 이리듐 촉매의 과전압이 약 0.35V인 점을 감안할 때 세계최고수준이라 할 수 있다.

내구성 역시 뛰어나 높은 전류와 전압 조건에서 운행된 12시간 동안의 물분해 조건에서도, 성능이 거의 감소되지 않는다. 이는 기존의 코발트 옥사이드 촉매와 귀금속계 촉매보다도 오히려 뛰어난 내구성을 보인 것이다.

인화코발트 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 코발트를 기반으로 하기 때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다.

더욱이 인화코발트 화합물을 합성하는 조건 역시 단일 단계의 공정이기 때문에 제작비용이 저렴하고, 효율은 높은 촉매를 쉽게 만들 수 있다.

또한 인화코발트 나노입자는 양극뿐 아니라, 음극에서도 수소발생반응성이 높아, 양극 산소발생반응 촉매뿐 아니라 음극에서도 사용이 가능해, 한 가지 재료를 양기능성 촉매로 활용이 가능하다.

유성종 박사는 “산소발생반응 촉매의 전구체라는 관점에서 나노입자를 제어해 실제로 작동하는 활성화된 촉매의 물리적 화학적 구조를 제어했다는 점에서 기존 연구와 차별성이 있다”며 “이번 연구로 수소에너지 보급 및 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다.

한편 이번 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업을 통해 수행됐으며 연구결과는 촉매 분야의 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis(IF: 9.352)에 7월2일에 게재됐다.

또한 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Most Read Articles에 선정된 바 있다. 더욱이 해당 연구결과는 국내특허 출원(출원번호:2015-0003543) 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다.

▲ 인화코발트 나노입자를 통한 수소 및 산소발생 반응. 인화코발트 나노입자는 산소발생반응 활성화 촉매의 전구체이며 자체로 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. 

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