▲ 몰리브데넘 맥신/티타늄 맥신 지지체를 활용한 촉매에 따른 수전해 장치 성능(a, 전류-전압 그래프), 수전해 장치의 동일 전류밀도 인가 조건에서의 장기내구성 테스트(b) (출처:KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)이 맥신을 활용해 기존보다 강한 산화 내구성을 지닌 산소 발생 전극 촉매 개발로 수소 기반 생태계 활성화에 기여할 것으로 전망된다.

KIST 전자파솔루션융합연구단 이성수 박사 연구팀은 전자파 차폐 및 흡수 특성을 가진 산화 안정형 몰리브데넘계 맥신 (Molybdenum-based MXene)을 개발했다고 8일 밝혔다.

몰리브데넘계 맥신은 산화 반응에 대해 안정성을 가지고 있어 이를 수전해 촉매의 담지체로 응용할 경우, 그린 수소 생산의 산소 발생 전극으로 활용해 그린 수소 생산 비용을 절감시킬 수 있다.

물을 수소 분자와 산소 분자로 분해하려면 많은 에너지가 필요해 이를 줄이기 위해 촉매가 사용되며, 나노 단위의 작은 입자들로 이루어진 촉매가 작을수록 표면적이 넓어져 반응이 잘 일어난다.

하지만 시간이 지나면서 작은 촉매 입자들이 뭉치는 현상이 발생해 표면적이 줄어들고 수소 생산 효율이 떨어진다. 이를 방지하기 위해 촉매와 지지체를 함께 사용하는데 수소가 생성되는 양극에 주로 사용되는 탄소가 있지만, 음극에서는 산화 반응으로 탄소가 사용되면 이산화탄소로 산화되어 내산화성이 높은 지지체가 필요하다.

이때 지지체로 사용될 수 있는 물질이 바로 맥신이다. 맥신은 Ti(티타늄), Mo(몰리브데넘), Hf(하프늄), Ta(탄탈럼) 등의 금속 원자와 탄소 또는 질소 원자로 이루어진 나노 물질로, 전기가 잘 통하고 촉매 지지체로 적합한 구조를 지녀 수소 생산에 유리하다. 특히 티타늄(Titanium) 기반의 맥신이 가장 많이 연구됐다.

하지만 이 경우 물에 쉽게 산화된다는 티타늄의 원자적 특성으로 인해 촉매가 높은 전기전도도를 유지할 수 없다는 고질적인 단점이 있었다. 이를 보완하기 위해 연구팀은 몰리브데넘을 적용한 맥신을 지지체로 사용하는 음극 촉매를 새롭게 설계했다. 다른 원자를 사용하기 때문에 티타늄의 산화 안정성 취약 부분을 완전히 극복할 수 있는 시도로 주목을 받고 있다.

몰리브데넘 기반의 맥신을 지지체로 활용하였을 때, 맥신의 표면을 구성하고 있는 몰리브데넘 원자와 촉매 코발트 사이에 강한 화학 결합이 만들어진다. 이렇게 생성된 화학 결합을 통해 수소 생산 효율 또한 약 2.45배 증가했다.

최근 티타늄 계열의 맥신을 활용한 단위 전지 셀 내구성이 40시간이 채 되지 않았던 결과에 대비해 10배 이상의 내구성 향상 효과를 확인했다. 이를 통해 그린 수소 생산 비용 절감 효과를 기대할 수 있으며, 향후 대규모 수소 생산 발전소 및 대량 그린 수소 발전 스테이션 분야 활용에도 적용할 예정이다.

KIST 이성수 박사는 “맥신을 구성하는 원소를 제어해 그린 수소 생산 환경에 적합한 후보군을 찾을 수 있었고, 이를 통해 산화 환경에서 안정성 있는 맥신 지지체를 확보했다”라며 “향후 수소 생산 효율과 내구성을 지닌 산소 발생 전극 촉매 개발로 수소 기반 생태계 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다.