어떤 성질의 물에서도 수소 생산 가능, 새로운 촉매 개발

하나보다 둘일 때 그 시너지가 발휘되는 경우가 있다. 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 (단장 이영희) 이효영 부연구단장 연구팀은 단일 원자 2개를 합성해 기존보다 4배 싼 단일 금속 원자 이합체 촉매를 개발했다. 어떤 성질의 물에서도 수소 생산이 가능하고 기존에 비해 장시간 작동이 가능하다는 것이 특징이다. 이는 친환경적인 방법으로 저렴하게 상업용 고순도 수소를 생산할 수 있어 수소 생산 방식에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다.

친환경 미래 연료로 각광받는 수소는 물에서 얻을 수 있어 이에 대한 연구가 활발하다. 이산화탄소를 배출하지 않는 수소생산방식은 물을 전기분해 해서 수소를 만드는 수전해 방식이 유일하다. 친환경적이지만 생산비용을 낮추는 것이 관건이다. 생산 효율을 높여줄 촉매가 아직 비싸기 때문이다. 귀금속 백금(Pt) 촉매는 산성, 알카리성 등 물의 성분과 상관없이 수소를 생산할 수 있지만 소재가 백금이여서 단가가 비싸고 장기간 작동시 안정성이 좋지 않다는 한계가 있다.

연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트와 니켈을 이용해 이합체를 구현하며 그 한계를 극복했다. 모든 물에서 사용 가능한 질소 도핑된 탄소 지지체에 단일원자를 니켈-코발트 이합체 구조로 안정적으로 합성했다. 연구진은 니켈과 코발트가 단일원자로 존재할 때보다 수소 발생 효과가 저조했으나, 두 개의 단일 원자가 합쳐진 이합체 구조일 때 시너지 효과를 내며 수소 생산 효과가 극대화되는 것을 발견했다. 또한 코발트-망간과 코발트-철과 같은 다른 이합체를 동일한 방법을 사용하여 합성시켰다.

연구팀은 단일원자 니켈-코발트 이합체 전기 촉매가 백금촉매와 비슷한 전압으로 수소 생산이 가능함을 확인했다. 나아가 24시간 동안만 안정적인 기존의 백금 촉매에 비해 단일원자 니켈-코발트 이합체는 구조의 변화 없이 50시간 동안 사용 가능한 것도 발견했다.

이번 연구는 단일 원자 분야에서 오랫동안 도전해 온 단일 원자 이합체 구조 합성 구현을 성공했다는 데 의의가 크다. 이론상으로만 존재 했던 구조를 실현시키며 저렴하면서 기존의 귀금속 백금 촉매의 장점을 가진 새로운 촉매를 개발했다. 이는 고가의 백금 촉매를 대체하며 친환경적으로 수소를 생산하는 데 기여할 것으로 전망된다.

이 부연구단장은 이번 연구를 통해“저렴한 고효율 수소 생산 전기분해 촉매를 개발해 이산화탄소 발생이 없는 친환경 소수 생산 경제에 한 발짝 더 다가서게 됐다”고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919)誌에 11월 19일 온라인 게재됐다.

▲ 질소가 도핑된 탄소에서 안정화 된 NiCo-SAD를 이용한 수소 발생 공정도 개략도

▲ 알칼리성에서 수소 발생 반응 활동

▲ 산성 매체에서 수소 발생 반응 활동

출처 : 기초과학연구원