물을 전기분해해 수소를 얻는 과정에서 비싼 백금을 대체할 새 촉매를 합성한 UNIST 백종범 교수(좌측)와 펑리 박사. /사진제공=UNIST물을 전기로 분해해 수소를 얻는 반응에는 촉매가 필요하다. 기존에는 효율이 좋은 백금을 썼는데 비싸고 전기화학적 안정성이 떨어진다는 단점이 있다. 백금을 대체할 물질이 꾸준히 개발되는 가운데 국내에서 ‘원자 구조를 조절해 촉매 효율을 높인 연구’가 나와 눈길을 끌고 있다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 중국 연구진과 공동으로 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 새로운 촉매를 합성했다고 23일 밝혔다. 이 촉매는 백금보다 낮은 과전압에서 수소 발생 반응이 잘 일어났다. 과전압은 수소 발생 반응이 일어나기 위해 외부에서 추가로 더 주어야 하는 최소한의 에너지인데, 과전압을 낮을 출수록 촉매의 수명을 늘릴 수 있다.
물에 전압이 가해지면 수소 발생 반응이 일어나게 되는데, 수소 발생반응은 물속에 있는 수소 원자가 촉매에 잘 붙고(흡착), 수소 원자가 두 개 모여 분자가 되면 촉매 표면에서 잘 떼져야(탈착) 원활하게 일어난다. 일반적으로 수소 발생 촉매의 수소 흡착과 탈착 성질은 서로 반비례한다. 때문에 흡착과 탈착 반응 사이에 적절한 조율, 즉 밀고 당기기를 잘하는 물질이 좋은 촉매다.
연구진은 차세대 촉매 물질인 이리듐의 ‘전자껍질(오비탈)’을 질소와 탄소를 이용해 조절, 이리듐의 당기는 힘을 강화했다. 질소와 탄소의 경우 이리듐보다 전자를 잡아당기는 성질(전기음성도)이 커, 이리듐이 수소 원자 속 전자, 즉 수소 원자 자체를 잡아당기는 힘을 강화해 준 것이다.
또한 열분석 장비로 살펴본 결과 귀금속인 이리듐 함량도 7% 정도로 확인했다. 상대적으로 고가인 이리듐을 소량만 사용하면서 값싼 탄소와 질소와 섞어 고효율 촉매를 만들어 냈다.
제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 “좋은 성능만 쫓아 새로운 물질을 합성하는 방식에서 ‘전자껍질(오비탈)을 조절하는 새로운 방법’으로 촉매 효율을 높인 연구”라며 “이번에 쓰인 방식을 활용하면 다른 금속 기반의 촉매를 설계하는 데도 도움이 될 것”이라고 전했다.
백종범 교수는 “질소나 탄소보다 상대적으로 가격이 고가인 이리듐을 아주 소량만 사용해 고효율 촉매 개발에 성공했다”라며 “상용화될 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것”이라고 전망했다
이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 지난 6일 자로 게재됐다.
/울산=장지승기자 jjs@sedaily.com
