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극소량 에너지로 수소 만드는 고효율 촉매 개발
극소량 에너지로 수소 만드는 고효율 촉매 개발
  • 교수신문
  • 승인 2019.08.02 10:58
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UNIST 김광수 교수팀, 단일 원자를 이용한 루테늄 촉매 합성

수소는 화석연료를 대체할 미래 청정 에너지원으로 각광받는다. 에너지 효율을 극대화하기 위해서 '적은 양의 에너지로 수소를 얻기 위한 연구'가 세계적으로 진행되는 가운데 최근 이론적인 극한값에 근접한 극소량 에너지로 수소를 생성하는 전기 촉매가 개발됐다.

UNIST(총장 정무영) 자연과학부 화학과의 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀이 상업적으로 쓰이는 백금 촉매보다 탁월한 물 분해 전극 촉매 물질 개발에 성공했다. 질소(N)를 도핑한 그래핀의 결함자리에 ‘루테늄(Ru) 단일원자’와 ‘질화된 루테늄(Nitrided Ru) 나노입자’들이 혼성된 새로운 촉매이다. 

연구팀은 수소발생반응을 활성화시키는 능력이 탁월하면서도, 산성과 염기성 용액 양쪽에서 내구성이 높은 루테늄 기반 촉매 구조를 개발했다. 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자화학계산으로 촉매 반응 활성도가 가장 높은 루테늄 촉매 구조를 알아낸 덕분이다. 또 구(球) 모양의 탄소 구조체인 풀러렌을 이용해 촉매를 감싸면서 안정성을 더했다.

새로 개발된 촉매는 산·염기성 매질에서 상업용 백금 촉매(Pt/C)를 포함한 알려진 전극 촉매 중 가장 낮은 7 ㎷의 과전압을 기록했다. 과전압이 낮을수록 수소 생성에 드는 에너지 소비가 적은 효율적인 촉매가 된다. 새로운 촉매는 또 촉매 효율을 나타내는 지표 중 하나인 패러데이 효율이 100%에 가까웠다. 

김광수 교수는 “새로 개발된 촉매는 산성과 염기성 용역에서 백금 촉매를 능가하는 우수한 성능과 안정성을 보였다”며 “액체 추진 로켓이나 선박 등 다양한 환경에서 수소발생반응을 촉진하는 촉매로 사용 가능할 것” 이라고 밝혔다. 

이 연구는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’의 7월호 표지 논문으로 출판됐다. 연구수행은 한국연구재단과 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 지원으로 이뤄졌다. 
 


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