수전해 에너지 효율 13%↑…‘삼층 따개비형’ 활성 촉매 개발

산소원자가 결핍된 티타니아의 구조를 닮은 코발트-안티모니 산화물 물분해 전극촉매는 산소발생반응의 반응물 흡착과 활성점으로의 전환이 용이. 이로 인해 활발한 전기화학적 산소발생이 가능해져 효율적 수소생산에 기여 가능함/사진=GIST.

국내 연구진이 수소 생산 효율을 높일 수 있는 삼층 따개비 모양의 활성 촉매를 개발했다.

광주과학기술원(GIST) 지구·환경공학부 이재영 교수, 포항공과대 조강우 교수로 이뤄진 공동연구팀은 수전해 효율을 높일 새로운 결정구조의 산소 발생반응 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

현재 수소 생산의 약 97%는 석탄 등 화석연료의 열화학적 개질을 통해 이뤄진다. 화석연료에 대한 의존성이 여전히 높은데, 이를 낮추기 위해선 수전해 고도화 기술 등이 개발돼야 한다.

연구팀은 표면적이 넓은 따개비 구조로 활성점으로의 변환이 쉬운 티타니아(TiO2) 구조를 3층으로 쌓은 코발트 금속기반 촉매를 개발했다.

이 촉매는 수전해 효율을 결정하는 반응인 산소발생반응에서 기존 코발트 금속 촉매보다 뛰어난 활성을 나타냈다.

연구팀은 이 촉매를 실시간 방사광 가속기 기반 X-선을 통해 들여다본 결과 촉매 반응을 일으킬 수 있는 위치(활성점 밀도)가 이전보다 많아졌다.

또 촉매 구조에 존재하는 결핍된 산소는 코발트 금속과 산소와의 반응성을 높여 반응물과의 흡착이 느렸던 코발트 금속의 한계를 극복했다. 이를 통해 산소 발생반응의 속도를 개선했다는 설명이다.

연구팀은 새로 개발한 촉매를 통해 수전해 에너지 효율이 기존보다 13% 향상됐다고 밝혔다.


이재영 교수는 “삼층 따개비 모양의 새로운 촉매구조를 통해 고효율 산소발생반응용 촉매 구조 후보군을 넓혔다”면서 “이는 저에너지·친환경 수소생산의 길을 앞당겨 ‘수소 경제’에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 전기화학 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지래터스’(Energy Letters) 온라인에 게재됐다.