일반적 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습(우측 하단)과 KIST 연구진이 개발한 물 산화 촉매 활성이 높은 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습(좌측 상단). 그래프는 두 가지 포일로 만들어진 전극을 물 분해 반응에 적용했을 때 얻어진 전류-전압 움직임으로 300 mV 이상의 과전압이 줄어든 것을 확인할 수 있다. /그림제공=KIST국내 연구진이 주로 강철의 녹을 방지하는데 사용되던 스테인리스 스틸을 전혀 새로운 기술 분야인 인공광합성 물 분해 촉매로 응용하는 기술을 개발했다. 이에 따라 저가 소재와 간단한 공정으로도 큰 면적으로 대량생산할 수 있는 길이 트이게 됐다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사팀이 개발한 신기술은 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 생산할 수 있다. 기후변화 대응형 고부가가치 화합물 제조 방법이 필요한 상황에서 인공 광합성 기술은 매우 중요한 기술이지만 지금까지는 세계적으로 초보 단계에 머물러 왔다.
인공광합성 기술을 위해서는 우선 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 촉매와 이산화탄소를 환원시켜 화합물을 만드는 촉매 기술이 필요하다. 이 중 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 반응이 더 어려운 기술이며 아직까지 고성능 촉매가 개발되지 못하고 있다. 기존에 개발된 수전해 촉매의 경우, 강알카리성 수용액에서는 잘 작동하지만 인공광합성을 할 수 있는 중성 수용액 조건에서는 촉매의 성능이 현저하게 떨어질 뿐만 아니라 현재까지 저가 소재의 촉매가 개발되지 못한 문제점을 지니고 있었다.
KIST 연구진은 스테인리스 스틸에 여러 원소가 섞여 있고 이 중 물분해 촉매 활성이 큰 원소도 포함되어 있다는점에 착안, 이 원소를 표면으로 석출시켜 쉽고 간편하게 고성능 물분해 촉매를 제조하였다. 연구에 사용된 스테인리스 스틸은 AISI(미국철강협회) 304 제품(니켈 10%, 크롬 20% 포함)으로 강알카리 수용액(수산화나트륨)에서 높은 전류(1∼6 A/cm2)를 흘려주게 되면 철, 니켈, 크롬 등 스테인리스 스틸을 이루는 원소가 녹고 이 중 니켈이 표면에 재침전되면서 ‘NiOOH’ 라는 물질이 스테인리스 스틸 표면에 형성된다. 이 물질이 물 분해에 아주 효과가 좋은 촉매로 작용하게 되며 이렇게 만들어진 스테인리스 스틸 촉매는 중성 전해질에서 지금까지 알려진 촉매 중 가장 높은 효율을 보였다.
스테인리스 스틸이 주방 용품을 비롯 자동차, 항공우주 구조물, 건설재료 등으로 적용범위가 넓어지는 상황에서 인공광합성을 활용한 기술의 상용화 기대감이 커지고 있다.
민 박사는 “이번 스테인리스 스틸 소재 기반 물 분해 촉매 기술은 저가 소재와 간단한 공정을 기반으로 대면적화, 대량생산에 유리하다”며 “앞으로 인공 광합성 기술의 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 것”이라고 내다봤다.
/고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com
