극소량 백금으로 수소 생산속도 100배 극대화

UNIST, 질소-탄소나노튜브에 백금 원자 입힌 촉매 개발

귀금속 백금(Pt)을 극소량만 사용하여 수소를 대량으로 생산할 촉매가 개발됐다. UNIST는 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수(국가과학자) 연구팀이 상용화한 백금 촉매의 80배 적은 양의 백금만 사용해 수소 생성 활성도는 100배 높이는 새로운 수소 생산 촉매를 개발했다고 지난 31일 밝혔다. 

이번 연구결과(논문명 ‘Multicomponent electrocatalyst with ultralow Pt loading and high hydrogen evolution activity’)는 에너지 분야의 최고 권위지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 7월 30일 자 온라인판에 발표됐다.

▲ 질소-탄소나노튜브 위에 백금(흰색)이 미량 도포된 모습 [사진=UNIST 제공]
수소는 공기 중에 있는 산소와 반응해 전기를 만들고 물만 배출하는 청청 신재생 에너지원이다. 석탄이나 석유처럼 이산화탄소 같은 탄소화합물을 만들지 않기 때문에 지구온난화와 대기오염 문제에서 벗어난다. 하지만 수소 생산 기술이 비싸 아직 널리 쓰이지 못하는 형편이다.

수소를 얻는 대표적 방법은 물(H₂O)을 전기로 분해해서 산소 기체(O₂)와 수소 기체(H₂)를 만드는 ‘수전해 반응’이다. 이때 수전해 반응을 도와주는 촉매가 필요한데, 현재는 백금을 주로 활용한다.

하지만 백금은 매장량에 한계가 있는 데다 비싼 가격을 가진 귀금속이다. 따라서 백금을 더 적게 쓸 촉매를 만들거나 아예 다른 물질로 대체하려는 연구가 수소 에너지 분야의 핵심이 되고 있다.

김 교수가 이끄는 초기능성 물질연구소는 효율적인 수소 생성 방법을 찾기 위해 이번 연구를 진행했다. 연구팀은 질소(N)가 도입된 탄소나노튜브(CNT)에 극미량의 백금을 입힌 촉매를 개발했다. 대나무 마디처럼 생긴 이 튜브는 내부에 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 나노입자들이 들어 있다. 이 여러 성분이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 높여 수소 발생 활성도가 증가한다.

원래 백금 표면은 수소를 잡아두는 에너지가 적어서 물 분자에서 분해된 수소 원자들끼리 쉽게 만나 기체로 변한다고 알려져 있다. 연구팀은 촉매 활성을 계산해 “새로 개발된 촉매에서 여러 성분이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 더욱 증강하고 수소를 붙잡아두려는 에너지가 거의 0에 가까워져 수소 기체를 만드는 효율이 더 높아진다”는 것을 밝혔다.

또한 백금 원자 하나와 백금 나노 뭉치가 있을 경우의 촉매 활성을 모형화했다. 그 결과 백금 원자들이 백금 나노 뭉치들과 섞였을 때 촉매 표면의 전도성이 증가해 수소 발생 효율이 훨씬 높아진다는 새로운 과학적 현상을 최초로 규명했다.

이러한 모형화에 의한 예측 결과를 토대로 촉매의 매우 복잡한 표면의 구조를 실험적으로 원자 수준에서 관측할 수 있게 됐다. 또 모형화의 정확성을 입증함으로써 활성도가 개선되는 이유도 규명하게 됐다.

▲ 질소(파랑)-탄소나노튜브(노랑) 위에 백금(보라색)이 올려져 있는 구조_하늘색은 수소 원자다. [사진=UNIST 제공]
김 교수는 "이 연구의 중요성은 수소 생산 효율을 크게 높인 새 촉매를 개발한 점"이라며 "이 물질의 모형화와 해석을 통해 최상의 촉매를 설계하는 구체적인 방향도 제시했다"고 말했다. 이어 "수소 기반 에너지 산업의 걸림돌이었던 백금 촉매의 경제성과 효율성이라는 문제를 해결할 실마리를 잡았다"고 말했다.

 

IT뉴스 / 김들풀 기자 itnews@itnews.or.kr