기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 이효영 부연구단장 연구팀이 낮은 전압에서도 수소를 생산할 수 있는 고성능 전기분해 촉매를 개발했다.

최근 탄소중립 정책과 맞물려 수소가 미래 연료로 주목받고 있지만, 화석연료에서 수소를 생산하는 과정에서 온실가스가 배출되는 아이러니가 발생한다는 것.

이산화탄소 배출 없는 '그린 수소'를 생산하는 공정은 물을 전기분해하는 방법이 유일한데, 느린 산소 발생 반응 때문에 높은 전압이 필요하다는 한계가 있다.

이에 낮은 전압에서도 수소를 추출할 수 있는 암모니아나 요소 산화반응에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 특히 요소는 암모니아와 달리 상온에서 고체 상태로 존재해 운반·저장이 쉽다는 장점이 있다.

14일 연구팀은 단일 금속 원자를 다량 탑재해 요소 산화반응을 앞당길 수 있는 전기분해 촉매를 개발했다고 밝혔다.

요소 산화반응 속도를 높이는 촉매로 귀금속 기반 백금·로듐 등 금속 촉매가 쓰이지만, 고가인데다 장기간 사용하면 안정성이 떨어지는 등 문제가 있다.

단일 금속 원자를 기반으로 한 촉매는 활성이 뛰어나지만, 쉽게 이동해 응집되는 경향 때문에 많은 양을 사용하기 어려웠다.

연구팀은 액체 질소 담금질 방법을 이용해 산화코발트 표면을 변형시킨 뒤 로듐 단일 금속 원자를 기존보다 2배 더 많이 올려 안정화했다.

이를 통해 표면의 로듐 이동 에너지 장벽이 높아져 이동·응집 현상을 억제할 수 있다.

백금, 이리듐, 루테늄 기반 다른 단일 금속 원자들도 고중량으로 탑재할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

요소 산화반응에 적용해 촉매의 효율을 평가한 결과 상용화 전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생하며, 구조의 변화 없이 100시간가량 안정성을 보이는 것으로 나타났다.

기존 수전해 방식보다 에너지를 16% 이상 절감할 수 있다.

이효영 부연구단장은 "고순도 수소를 저렴하면서도 친환경적인 방식으로 생산할 수 있는 기술"이라며 "요소가 풍부한 폐수를 이용해 수질 오염 문제 해결에도 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '에너지와 환경과학'(Energy & Environmental Science) 지난달 30일 자 온라인판에 실렸다.

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