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UNIST, 물 분해용 고효율 ‘수소 촉매’ 개발

실제 평가에서 백금보다 높은 효율 보여
루테늄 기반 촉매 합성법...실용화에 성큼



[월간수소경제 성재경 기자] 울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈) 연구진이 수소를 값싸게 생산하는 고효율 촉매를 만들고, 실제 성능 평가까지 마쳤다.

백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 루테늄(Ru)과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 결합한 물 분해용 수소 촉매인 ‘Ru@MWCNT’를 개발했다고 18일 밝혔다.

천연가스 등 화석 연료를 원료로 수소를 생산하는 과정에서 환경오염 물질이 배출된다. 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 방법이 궁극의 대안으로 제시되지만, 이때는 백금처럼 값비싼 촉매를 필요로 한다. 

백 교수팀은 백금 촉매를 대체하면서 성능이 우수하고 저렴한 수소 촉매를 꾸준히 개발해왔다. 이번에 개발한 Ru@MWCNT 촉매는 그동안 발표한 금속 유기체 촉매보다 우수한 전기화학적 특성을 보였다. 과전압은 기존 촉매 중 가장 낮았으며, 물의 산성·염기도에도 크게 영향을 받지 않았다. 

새 촉매는 단일한 벽을 가진 탄소나노튜브(CNT)가 서로 중첩된 형태에 작은 루테늄 입자가 고르게 분포된 구조를 하고 있다. 



우수한 성능은 루테늄 입자가 작고 고르게 분포한 덕분인데, 연구진은 이를 위한 제조공정도 개발했다. 새 촉매는 합성법이 간단해 대량생산을 통한 실용화에도 큰 이점이 있다는 평가를 받는다.

연구진은 새 촉매의 성능 평가를 위해 기존 과전압 측정 외에 ‘물 분해 시스템’의 전극으로 만들어 평가하는 방법도 진행했다. 

이 촉매를 전극으로 사용했을 때 수소 발생량을 실제로 측정한 것으로, 그 결과 같은 조건에서 상용화된 백금 촉매보다 15.6% 많은 수소를 생산했다. 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율도 92.2%로 백금 촉매(85.9%)보다 높게 나왔다.



이번 연구는 새롭고 우수한 촉매를 개발했을 뿐 아니라, 상업화에 필요한 실제 전극의 평가 방법을 제시했다는 평을 받는다. 

백 교수는 “수소 촉매 연구는 주로 촉매 자체 평가에 집중돼 있어 그동안 실제 물 분해 시스템에서 평가하기 위한 연구는 미흡했다”며 “이번 연구는 촉매의 우수성은 물론, 실제 적용했을 때 성능을 예상해볼 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

이번 성과는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 9일 자로 공개됐다.



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