▲ 전도성 탄소도입을 통해 δ-MnO2를 형성하고 활성화 과전압을 극복한다는 의미의 개념도

국내 연구진이 물을 전기분해해 고순도 수소를 생산하는 수전해 비용을 낮출 수 있는 망간 기반의 새로운 촉매를 개발했다.

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀이 인하대학교 화학공학과 이기영 교수 연구팀과 공동 수행 연구에서, 전도성 탄소와 혼합된 망간 기반 촉매를 활용해 촉매의 전기 전도도를 조절해 수전해 성능을 향상시키는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

‘수전해’ 방식은 온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 수소 생산 방법이지만, 고가의 전력비용이 실용화가 어렵다. 생산단가를 대폭 낮추려면 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있는 고성능 촉매 개발이 요구된다.

이리듐, 루테늄과 같은 귀금속은 산소발생 반응을 일으키는 우수 촉매로 수전해에 주로 사용되지만, 가격이 비싸다. 따라서 가격이 저렴하고 우수한 전이금속 기반(니켈, 코발트, 철)의 수소·산소 발생 촉매의 개발이 중요하다.

망간 기반의 금속 산화물은 대표적인 물분해 반응 촉매로, 구조적인 다양성, 풍부한 매장량, 무독성 등의 특징을 지녀 수전해 촉매로 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

기존 망간 산화물은 일반적으로는 전기전도성이 낮고 특정 구조(δ-MnO2)에서만 산소발생 반응이 잘 일어난다고 알려져 있는데, 이를 위해서는 산소발생 반응 중 망간 산화물의 완전한 산화가 필수적이며 이를 위해서는 충분한 전기전도성이 필요하다.

연구진은 전기전도성 확보를 위해 흑연화된 전도성 탄소를 촉매층에 도입하고, 반복적인 전기화학적 활성법으로 촉매층의 산소발생 반응 성능을 향상시켰다.

그 결과 산소발생 반응 활성이 15배 이상 증대되며 제3세대 음이온 교환막 수전해법에 적용하였을 경우, 기존 촉매 대비 400% 높은 전류밀도에서 수소 생산이 가능한 것을 확인했다.

지스트 이재영 교수는 “최근 니켈의 가격상승으로 인해 대체 전이금속 기반의 전극촉매 개발이 시급한 상황에서 이번 연구성과의 의미가 크다”고 강조했다.

인하대 이기영 교수는 “망간 산화물 수전해 촉매로 상용화 원천기술을 확보했다는 데 의의가 있다”며 “생성된 망간 산화물은 저비용 친환경 수소 생산에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 지스트 지구환경공학부 이재영 교수(교신저자)와 인하대학교 화학공학과 이기영 교수(공동 교신저자)가 주도하고 함가현 박사(제1저자)와 이재원 박사과정 학생(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 및 한국에너지기술평가원의 지원을 받았다.