국내 연구진이 친환경 수소 생산에 도움이 되는 물 분해 촉매를 개발해 주목된다.
울산과학기술원(UNIST) 박혜성·김건태·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수팀이 전이금속칼코겐화합물과 페로브스카이트산화물을 결합함으로써 안정성이 뛰어나고 저렴하며 성능도 뛰어난 수전해 촉매를 개발했다고 4월12일 밝혔다.
수전해 기술은 수소를 생산하는 친환경적 방법으로 주목받고 있으며 물 분해반응 시 촉매가 필요하다.
그동안 백금(Pt), 이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매 성능이 우수한 것으로 평가됐으나 가격이 비싸고 안정성이 낮아 상용화가 어려웠다.
연구진은 전이금속칼코겐화합물인 몰리브덴다이셀레나이드와 페로브스카이트산화물인 란탄스트론튬코발트산화물을 용기에 넣고 쇠구슬과 함께 굴리는 간단한 방법(볼밀 공정)으로 이종구조 촉매를 합성했다.
해당 공정으로 제조한 촉매는 수소발생 반응과 산소발생 반응 양쪽에서 귀금속 촉매에 근접한 성능을 보여 두 반응 가운데 한쪽에서만 우수한 성능을 나타내는 귀금속 촉매와 차별화가 가능할 것으로 예상된다.
또 신규 촉매는 1평방센티미터 면적에 100mA 전류를 흘려도 전극 손상 없이 1000시간 동안 안정적으로 작동해 같은 면적에 50mA 이상 전류를 흘려도 곧 전극이 손상되던 기본촉매들보다 성능이 뛰어난 것으로 평가되고 있다.
아울러 두 물질을 합성하는 과정에서 전이금속칼코겐화합물 일부가 금속 성질로 바뀌면서 촉매 성능과 안정성이 획기적으로 향상됐으며 반도체 성질이 금속 성질로 변하는 독특한 상전이 현상을 최초로 발견하고 실험적·이론적으로 규명했다는 점에서도 주목받고 있다.
박혜성 교수는 “새로 제안한 촉매 설계는 다양한 화합물로 조합할 수 있어 잠재력이 무궁무진할 것”이라고 강조했다.
김건태 교수는 “수전해 촉매를 상용화하려면 간단한 합성, 대량화, 재현성, 저비용, 고성능, 고안정성 등이 수반돼야 하며 새로 개발한 촉매는 해당 조건을 만족시킬 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
연구성과는 자연과학 분야 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 4월12일 온라인판에 게재됐다. (K)