국내 연구진이 물에서 수소를 만들 때 차세대 촉매인 이리듐의 전자껍질을 조절하는 방법으로 값싸게 효율을 높이는 기술을 개발했다.

백종범 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 중국 연구진과 공동으로 소량의 이리듐에 질소·탄소를 합성한 수소 발생 촉매를 개발, 백금보다 낮은 과전압(수소 발생 반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지)에서 수소를 만들었다고 23일 밝혔다.


물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해할 때 물속에 있는 수소 원자는 촉매에 잘 붙고 수소 원자가 모여 분자가 되면 촉매 표면에서 잘 떨어져야 한다. 연구팀은 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 ‘범밀도함수 이론’을 활용해 질소와 탄소로 이리듐의 흡착·탈착 에너지를 조절하는 아이디어를 냈다. 이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히는 물질이지만 수소 원자를 흡착할 때 필요한 에너지가 높아 한계가 있었다.

연구진은 이리듐 흡착 에너지를 낮추고자 질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질을 조절하는 방법을 제시했다. 이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질을 지닌 질소와 탄소를 적절히 배치, 수소 원자를 당기는 힘을 키웠다. 이렇게 개발한 촉매의 전기화학적 수소 발생 성능을 산성 환경에서 확인하니 백금 촉매나 순수한 이리듐 나노입자보다 훨씬 뛰어났다. 열분석 장비로 분석하니 귀금속인 이리듐 함량도 7% 수준이나 됐다. 소량의 귀금속에 값싼 탄소와 질소를 섞어 고효율 촉매를 만들어낸 것이다.

백 교수는 “고가인 이리듐을 소량만 써 상용화되면 가격 경쟁력을 갖출 수 있다”며 “이 방법은 다른 금속 기반 촉매를 설계하는 데도 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈 6일 자에 게재됐다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com