20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발-저가 금속으로 물 전기분해 촉진... 수소 생산 비용 낮출 것으로 기대
보도일 2020-11-24 10:48 연구단명나노구조물리 연구단
20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발
- 저가 금속으로 물 전기분해 촉진... 수소 생산 비용 낮출 것으로 기대 -
수소가 친환경 미래 연료로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문이다. 그런데 물 분해는 생산단가가 높아, 대부분의 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 얻고 있다. 즉 물 분해의 높은 비용 때문에 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 있었던 것이다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진은 원가가 20배 싸면서 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다. 이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다.
수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해다. 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 것이다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 되었다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg 당 7만 달러가 넘는데다 24시간 이상 지속되기도 어려웠다.
연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 촉매를 개발했다. 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다.
높은 성능의 촉매를 만들기 위해서는 속도 결정 단계가 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 4단계를 거쳐 만들어진다. 이 중 산소 발생 직전 단계인 OOH* 흡착 분자(adsorb): 산소생산과정의 중간체가 금속에 흡착돼있음을 의미한다.
는 안정화가 어려워 다음 단계인 산소 발생 효율이 낮았다. OOH* 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH*가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다.
연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH*를 안정화시킬 것이라고 예상했다. 이에 따라 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다. 그 결과 촉매 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 높음을 확인했다. 여기에 루테늄 원자를 더해 속도 결정단계에서 에너지 장벽을 줄이고, 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다.
이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많았고, 훨씬 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다. 산소 발생속도가 빠를수록 전류밀도 전류 밀도: 면적 대비 얼마나 많은 전류가 흐르는지 가리키는 양. 산소 발생에 전자가 수반되기 때문에 산소 발생량을 알 수 있는 척도다.
가 증가하는데, 기존 산화 루테늄(RuO2)은 제곱센티미터 당 10 밀리암페어(mA/cm2)의 전류 밀도를 얻기 위해 298 밀리볼트(mV)을 필요로 했다. 반면 연구진이 개발한 전기촉매는 180 밀리볼트가 필요하다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율이 높다는 뜻이다.
또한 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었다. 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 되어 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했다.
이효영 부연구단장은 “물 분해를 통한 친환경 수소를 석유·석탄 부생 수소보다 싼 가격으로 만드는 일은 오랫동안 한계에 직면해 있었다.”며, “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.
이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental science, IF 30.287)' 지에 11월 4일 온라인 게재됐다.
연 구 추 가 설 명
논문/저널/저자
Stabilizing OOH* Intermediate via Pre-adsorbed Surface Oxygen of Single Ru Atom-bimetallic Alloy for Ultralow Overpotential Oxygen Generation, Energy & Environmental science
Jinsun Lee, Ashwani Kumar, Taehun Yang, Xinghui Liu, Amol R. Jadhav, G. Hwan Park, Yosep Hwang, Jianmin Yu, Chau TK Nguyen, Yang Liu, Sara Ajmal, Min Gyu Kim, Hyoyoung Lee
연구 이야기
[연구 과정]
인류의 산업 활동에 필수적인 에너지는 그 사용량이 계속하여 증가하고 있습니다. 그러나 지구의 화석연료 자원은 한정적이며 화석에너지에 의한 기후변화 문제를 일으키고 있습니다. 이때 수소 에너지는 궁극적으로 인류가 당면한 에너지 및 기후 변화를 해결할 수 있는 미래를 위한 차세대 신재생 에너지원으로 간주됩니다. 현재 화석 연료를 정제하여 저렴한 부생수소 연료를 얻고 있습니다. 그러나 화석 연료의 제한된 저장고와 지속적으로 증가하는 환경 위협으로 인해 연구원들은 친환경 공정에서 수소 연료를 생산하는 대체 기술을 개발에 집중하였습니다. 재생 가능 에너지원을 이용한 물 전기 분해 (물을 산소와 수소로 분해)에서 수소를 생산하는 것은 친환경 수소 경제를 달성하는 유일한 방법으로 간주되며 수소 연료 전지가 가정, 산업, 전기 자동차에 전력을 공급하는 미래 방향이기도합니다. 그러나 저가의 고효율 전기 촉매를 사용할 수 없기 때문에 실제 응용 분야에서 수소 생산을 위한 물 전기 분해의 효율성이 크게 제한됩니다.
[어려웠던 점]
물 분할 과정에서는 수소 발생 반응과 산소 발생 반응이 동시에 발생하지만, 산소 발생 반응은 수소 발생 반응에 비해 매우 느려 전체 물 분리 반응의 효율을 저해합니다. (화학반응에서 가장 느리게 일어나는 과정이 전체 반응 속도를 결정합니다) 산소 발생 반응에서 이러한 문제를 극복하기 위해 값 비싼 귀금속 기반의 산화 루테늄 (RuO2)과 산화 이리듐 (IrO2)을 사용하여 산소 발생 속도를 높입니다. 그러나 이러한 귀금속 촉매는 가격이 매우 비싸고 장기간 작동시 안정성이 떨어집니다.
이미 보고 된 저비용 산소 발생 전기 촉매의 대부분은 낮은 전기 전도도와 산소 발생 중간체 (OOH *)의 낮은 안정성으로 인해 성능이 저하됩니다.
따라서 물의 전기 분해 효율을 높이기 위해서는 OOH * 중간체의 최적 안정성과 높은 전도도를 가진 저비용 고성능 산소 발생 전기 촉매의 개발이 필요합니다.
[성과 차별점]
이 교수 팀은 저렴한 금속을 사용하여 산소 발생 반응을 위한 고효율 전기 촉매를 개발하여 전체 물 분해 효율을 향상시켜 깨끗한 고순도 수소 연료를 생산하였습니다. 이 고효율 전기촉매는 코발트 (Co)와 철 (Fe) 금속 합금의 표면에 단일 원자 루테늄 (Ru)이 고정되어 있으며, 이 금속 합금은 다공성 결함이 존재하는 탄소 층 위에 분산되어 있습니다. 재료 합성 과정에서 합금 표면에 미리 흡착 된 표면 산소의 양을 원활하게 조절할 수 있으며, 이 표면 산소는 산소 발생 효율을 높이는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 산소 발생 반응은 합금 표면에 고정된 단일 루테늄 (Ru) 원자에서 발생하며 미리 흡착 된 표면 산소의 존재는 산소 발생 과정에서 중요한 중간체 (OOH*) 중 하나를 안정화하는 데 도움이 됩니다. 또한, 루테늄 (Ru) 단일 원자는 속도 결정 단계 (O*에서 OOH*)에 대한 에너지 장벽을 줄여 시너지 효과를 발생시키는 원리입니다. 이 고효율 전기촉매의 산소 발생 효율은 산소 발생 반응을 수행하는 데 필요한 최소의 과전압으로 산소를 발생시킵니다.
촉매 cm2 당 10 mA (밀리 암페어)의 전류 밀도를 얻기 위해 기존 산화 루테늄 (RuO2)은 298 mV을 필요로 하는 반면 이번에 개발된 고효율 전기촉매는 180 mV (밀리 볼트)의 과전압만을 필요로 하며 촉매 구조 변화 없이 100 시간 동안 구동하여 장기 안정성을 보여 주었으며, 다공성 탄소층과 금속 합금은 전기 전도도를 향상시키고 산소 발생 속도를 크게 향상시켰습니다. 특히 저렴한 신규 촉매를 사용하여 산화 루테늄 및 백금 촉매에 비해 실제 완전한 물 분해 셀에 필요한 낮은 셀 전압으로 우수한 에너지 효율을 보였습니다.
그 림 설 명
[그림1] 녹색수소 경제
전기 물 분해를 통해 얻은 수소는 탄소를 배출하지 않는 깨끗한 에너지원으로, 저렴하게 에너지를 운반하는 효율적인 에너지 수송자로서의 역할을 할 수 있다.
[그림 2] 개발한 전기촉매 결정 구조 및 물 분해 과정
(왼쪽) 개발한 촉매 합금의 결정 구조. 표면에 산소(붉은색)을 부착했다. (오른쪽) 전기 물 분해 반응을 통해 산소와 수소를 발생시킨다.
[그림 3] 개발한 고효율 전기촉매 성능 평가
(왼쪽) 이번에 개발한 촉매(파란색)는 같은 전위(기준전극 대비 전위- 전해질에 상관없이 표준화한 전위)에서 6배 가량 높은 전류 밀도 즉, 산소량을 보인다. 때문에 산소 발생 성능은 기존 촉매 대비 월등히 우수함을 볼 수 있다. (오른쪽) 이번 연구의 촉매(파란색)이 기존 촉매와 비교해 가장 낮은 전압으로 같은 전류밀도(산소량)에 도달해, 에너지가 가장 적게 든다.
[그림 4] 산소 발생 반응 메커니즘
가로축은 전기분해 중 산소 발생 단계, 세로축은 각 단계의 에너지를 뜻한다. 녹색은 루테늄이 없을 때, 파란색은 루테늄 원자가 있을 때의 에너지 모식도. 루테늄 단일원자가 속도 결정단계(Rate Determining Step)에서 에너지 장벽을 줄였다. 아래는 촉매에서 일어나는 반응으로, M은 촉매가 된 금속이다. 은색은 루테늄, 코발트는 파란색, 철이 금색, 빨간색은 산소, 작은 흰색이 수소다.
연구진 이력사항
<이효영 나노구조물리 연구단 부연구단장, 교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 성균관대학교 자연과학부 화학과 펠로우 교수
2. 경력사항
1997 - 1999 North Carolina State Univ., 박사후연구원
1999 - 2000 포항공과대학교, 박사후연구원
2000 - 2009 한국전자통신연구원(ETRI), 책임연구원
2006 - 2015 기능성 분자메모리 창의연구단, 단장
2009 - 현(現) 성균관대학교 화학과, 펠로우 교수
2015 - 현(現) 기초과학연구원 나노구조물리 연구단, 부단장
<이진선 나노구조물리 연구단 연구원, 공동 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 학생연구원
2. 경력사항
2016 – 현재 석박사과정, 성균관대학교
<아쉬와니 쿠마 나노구조물리 연구단 연구원, 공동 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 학생연구원