▲ 서울대학교 재료공학부 남기태 교수.

수소 생산가격을 획기적으로 낮출 수 있는 물 분해용 촉매를 국내 연구진이 개발했다.

미래창조과학부는 서울대학교 재료공학부 남기태 교수, 박사과정 진경석, 석사 박지민이 주도하고, 같은 대학의 한승우 교수팀과 기초과학지원연구원의 김선희 박사팀이 참여한 연구팀이 망간포스페이트 촉매를 개발했다고 지난 14일 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업의 일환으로 추진하는 “멀티스케일에너지시스템 연구단”(단장 최만수 교수) 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 화학분야의 세계 최고 권위 학술지인 미국 화학학회지(Journal of the American Chemical Society) 4월 23일자 온라인판에 게재됐다.

현재 산업에서는 대부분 전기화학반응을 통해 수소를 생산하며 이를 위해서는 촉매가 필수요소로 사용된다. 그러나 촉매로 사용되는 백금은 희소 금속으로 높은 생산 비용을 유발신켜 상용화의 한계점으로 작용해 왔다.

이에 연구팀은 자연계에 존재하는 망간 클러스터의 촉매 특성이 기존 희소 금속 촉매보다 월등히 뛰어난 것에 주목, 이를 모방한 인공 물 분해 촉매를 디자인하고 세계 최초로 망간포스페이트(Mn₃(PO₄)₂-3H₂O) 합성에 성공했다. 더 나아가 합성된 망간포스페이트의 구조를 확인하고, 촉매의 우수성도 규명했다.

망간포스페이트 화합물은 지구상에 가장 풍부히 존재하는 금속 중 하나인 망간을 기반으로 해, 세계에서 가장 값싼 촉매로 평가된다. 망간 금속의 경우 가격이 2$/kg에 불과하고, 망간포스페이트의 합성조건이 상온에서 30분밖에 걸리지 않아 제조비용이 매우 저렴해 가격 경쟁력이 매우 우수하다. 따라서 현재 연료전지의 수소생산을 위한 촉매로 이용되는 백금(Pt)을 대체할 수 있는 가장 유력한 후보 물질이라 할 수 있다.

연구진은 “물 분해 촉매인 망간포스페이트는 전이금속 기반 촉매 디자인의 새로운 지평을 열었으며, 물 전기분해·연료전지·이차전지 등 광범위한 분야에 새로이 개발된 망간포스페이트가 응용되리라 기대되고 있다”며 “특히 일상생활과 산업 전반에 다양하게 존재하는 전자소재 및 전기화학반응의 촉매로서 응용·적용하려는 연구 개발이 활발히 일어날 것으로 보인다”고 밝혔다.

▲ 망간 포스페이트 (Mn3(PO4)2-3H2O) 나노 구조체의 전자 현미경 (Scanning electron microscope) 사진(左)과 결정 구조 그림 .