수소 연료 싸게 만드는 효율 높은 비귀금속 촉매 개발됐다

전기화학 표면처리로 니켈 화합물 촉매의 수소 발생 효율을 높여 보다 싼 가격에 수소 연료를 만들 수 있는 연구 결과가 나왔다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부의 엄광섭 교수와 이주형 교수 연구팀이 수소 발생 효율을 기존 대비 40% 이상 높인 니켈 화합물 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

수소 발생 효율은 발생한 수소 연료의 부피 당 필요한 전력소모량을 의미한다. 이번에 개발된 니켈 화합물 촉매의 향상된 수소 발생 효율을 수전해에 적용하면 전력소모량을 감소시켜 수소 연료 가격을 낮출 수 있다.

수전해는 수소 발생 촉매와 산소 발생 촉매로 전위차를 발생시켜 물로부터 수소 기체와 산소 기체를 발생시키는 장치다. 이 장치는 수소 연료 생산 과정에서 온실가스를 발생시키지 않아 친환경 수소 연료 생산을 위한 핵심기술로 평가받는다.

현재 수소 발생 촉매에는 수소 발생 효율이 높은 백금과 같은 귀금속이 사용된다. 다만 귀금속 촉매는 가격이 높아 수소 연료를 비싸게 만드는 주요 원인이다. 이에 니켈이나 코발트, 철처럼 비귀금속 촉매를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 비귀금속 촉매는 백금보다 수소 발생 효율이 낮아 많은 전력을 필요로 하는데, 수소 발생 반응 속도를 높이는 것이 필요하다.

연구팀은 니켈 화합물 촉매의 표면에 전기화학적 표면처리를 적용해 수소 발생 반응 속도를 높였다. 니켈 화합물 촉매는 니켈과 첨가물 사이의 조성과 구조가 정형화돼 수소 발생 반응에 최적화된 조건을 맞추기 어려웠다.

연구팀은 실제 촉매 반응이 일어나는 니켈 화합물 촉매의 표면을 변형시켰다. 우선 컴퓨터 계산을 통해 전해질 산도에 따른 반응 변화를 분석하고, 전해질의 산도와 이온 농도 등을 조절했다. 분석 결과, 산성과 염기성을 조절한 니켈 화합물 촉매의 수소 발생 반응은 기존보다 1.30~1.44배 효율을 보였다. 백금 촉매와 비교했을 때 70% 수준의 성능을 보여, 대체제로 활용할 수 있다.

니켈 화합물 촉매에 적용된 표면처리법은 촉매의 부식성을 감소시켜 내구성을 높이는 것으로 확인됐다. 니켈과 같은 전이금속들은 수소 발생 반응과 동시에 부식 반응이 일어나 수명이 단축됐다. 표면 처리된 니켈 화합물은 니켈과 첨가물 사이 결합이 강화돼 상대적으로 안정적인 구조를 갖게 되고, 수명은 기존보다 8배 길어졌다.

엄광섭 교수는 “기존 연구들은 새로운 소재 개발에 초점을 맞추고 있지만, 이번 연구는 소재의 표면 개질만으로도 촉매의 성능과 안정성을 향상했다는 데 의의가 있다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술일자리진흥원 공공연구성과활용촉진 연구개발 사업과 GIST-MIT 융합 국제협력사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Jourmal)’에 이달 1일 게재됐다.