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‘이산화탄소로 수소 만드는 시스템’, 새로운 촉매로 Upgrade!
‘이산화탄소로 수소 만드는 시스템’, 새로운 촉매로 Upgrade!
  • 하영
  • 승인 2020.06.16 19:58
  • 댓글 0
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- UNIST 김건태·백종범 교수팀, ‘탄산수’서 잘 작동하는 촉매 개발
- 백금촉매보다 10배 저렴하고 내구성 높아… JMC A 표지논문 게재

온실가스인 ‘이산화탄소’를 없애는 동시에 ‘전기’와 ‘수소’를 생산하는  ‘수계 금속-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO2 system)’ 의 성능을 높여 줄 촉매가 개발됐다. 연구진이 앞서 개발한 ‘수계 금속-이산화탄소’ 시스템의 상용화 가능성이 한 층 더 밝아질 전망이다.

루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도: 단순한 공정을 통해 수소 발생 촉매의 대량 생산이 가능함. 다공성 탄소지지체에 카르복실 작용기(COOH)를 도입하면, 작용기가 루테늄 입자(이온)이 지지체에 더 잘 고정 될 수 있게 해준다. 작용기는 열처리 공정을 이용해 제거한다.
루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도: 단순한 공정을 통해 수소 발생 촉매의 대량 생산이 가능함. 다공성 탄소지지체에 카르복실 작용기(COOH)를 도입하면, 작용기가 루테늄 입자(이온)이 지지체에 더 잘 고정 될 수 있게 해준다. 작용기는 열처리 공정을 이용해 제거한다.
루테늄 및 탄소 지지체 촉매(붉은색)의 전기화학 성능 분석: 상용 Pt(검은색 그래프) 계열 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능을 보임.  그림(A) 수소 발생 반응에 필요한 추가적인 에너지인 과전압이 낮음(그래프가 꺽이는 지점) (B) 가격당 발생하는 전류를 나타냄. Pt/C 보다 가격대비 효율적인 성능을 보임. 그림(C) 동일전압에서 개발된 촉매의 전류밀도가 높음. 전류 밀도가 높을수록 생산되는 수소양이 많음.
루테늄 및 탄소 지지체 촉매(붉은색)의 전기화학 성능 분석: 상용 Pt(검은색 그래프) 계열 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능을 보임. 그림(A) 수소 발생 반응에 필요한 추가적인 에너지인 과전압이 낮음(그래프가 꺽이는 지점) (B) 가격당 발생하는 전류를 나타냄. Pt/C 보다 가격대비 효율적인 성능을 보임. 그림(C) 동일전압에서 개발된 촉매의 전류밀도가 높음. 전류 밀도가 높을수록 생산되는 수소양이 많음.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 김건태·백종범 교수팀은 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했다. 이 촉매를 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 ‘수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO₂ system)’에 적용하면 수소를 쉽고 빠르게 얻을 수 있다. 개발된 촉매는 이산화탄소가 녹아 있는 ‘탄산 환경’에서도 잘 작동할 뿐만 아니라 저렴한 재료를 이용해 간단한 공정으로 합성 가능해 상용화 가능성도 높다

 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 이용해 수소와 전기를 생산하는 시스템이다. 앞서 김건태 교수 연구팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 현상에 착안해 수계 금속-이산화탄소 시스템 개발했다. 이 시스템에서는 이산화탄소(CO2)가 물(H2)에 녹아 생기는 수소이온(양성자, H+)이 전기화학적 반응을 통해 환원돼 수소가 만들어진다. 

이 때 전기화학 반응에 필요한 에너지를 장벽을 낮추기 위해 촉매를 사용하는데, 기존의 금속-이산화탄소 시스템에는 백금(Pt) 등의 귀금속 계열 촉매가 활용됐다. 고가의 귀금속 계열 촉매의 대안으로 다양한 금속 산화물 및 탄소 촉매들이 제시됐으나, 이 촉매들은 이산화탄소가 포화 된 환경에서 수소 발생 활성도가 낮다는 단점이 있었다. 

좌로부터 자비드 마흐무드연구교수, 김정원연구원, 김건대교수

김건태·백종범 교수 공동 연구팀은 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었다. 루테늄 금속 (Ru)’ 과 ‘다공성 탄소 지지체 (PSC)’가 결합된 ‘루테늄 탄소 복합 촉매 (CF-Ru@PSC)’는 이산화탄소가 포화(saturated)된 전해질에서도 백금 촉매 만큼 우수한 수소 발생 반응 활성도와 1000시간의 구동에도 높은 안정성을 보였다. 탄소지지체에 붙은 카르복실(COOH) 작용기 작용기: 유기 화합물에서 특정 기능을 하는 원자집단 
가 루테늄을 지지체에 더 단단히 고정시키는 ‘중간매개체’ 역할을 하기 때문이다. 쓰임을 다한 카르복실 작용기는 가열해 쉽게 제거 할 수 있다.

제1저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “카르복실기가 사라지고 나면 루테늄 금속과 탄소 지지체의 강한 결합이 일어나는데, 여기서 추가적인 촉매 반응이 일어나 이산화탄소가 포함된 전해질에서도 수소 발생 반응 활성도가 높다”고 설명했다. 

이번에 개발된 촉매는 제조 공정도 간단해 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 저렴한 루테늄 금속과 탄소 원료를 사용해 가격이 기존 백금촉매의 1/10수준으로 저렴하다. 김건태 교수는 “수계 금속-이산화탄소 시스템에 백금 대신 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “이번 연구를 통해 차세대 전극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다”고 연구 의의를 밝혔다.

UNIST 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) 연구교수와 POSTECH의 한정우 교수가 각각 공동교신저자, 공동저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제학술지 Journal of Materials Chemistry A에 5월 29일자로 온라인 공개됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF) 등 지원으로 이뤄졌다. 


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