유성종 KIST 박사팀, 귀금속 촉매 대체할 니켈계 촉매 원천기술 개발

고효율, 저가 촉매 제조를 위해 인화니켈을 나노 선으로 성장시키는 과정 및 반응 사이트 분석 이미지<사진=KIST 제공>
고효율, 저가 촉매 제조를 위해 인화니켈을 나노 선으로 성장시키는 과정 및 반응 사이트 분석 이미지<사진=KIST 제공>
친환경에너지 수소를 만드는데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성 높은 니켈계 화합물로 제작하는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매비용 보다 약 100배 저렴하고 성능은 거의 동일해 수소에너지 상용화에 더 가까워질 것으로 기대된다. 

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 유성종 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 박사와 이승철 한-인도협력센터 박사가 물 분해를 통한 수소 발생 반응과정에서 고결정성 인화니켈 나노선 화합물을 전극 촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 낮추면서 내구성이 높고 성능이 뛰어난 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다고 1일 밝혔다.

수소에너지는 채굴량 한계와 지역 편재성이 없고 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받고 있지만 상용화를 위해 몇가지 걸림돌이 있다. 물의 전기분해를 통해 수소를 발생시키는 '수소 스테이션' 방법의 경우 건물크기의 대용량 수조가 필요하다는 점, 산소와 수소발생 전극재료로 이리듐·루테늄·백금 등 비용이 높은 귀금속 촉매가 필요하다는 점 등이다.

연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 고효율, 저가형 촉매 제조를 위해 니켈계 화합물의 일종인 인화니켈의 고효율 반응 가능성에 주목했다. 연구팀은 양자역학 계산기법을 활용, 인화니켈을 나노선(nanowire)으로 성장시키는 기술을 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 인화니켈 나노선은 표면에서 니켈 금속과 인의 강한 상호 작용을 통해 니켈금속의 전자 구조를 변형시켜 수소 발생 반응을 극대화시켰음을 보여주었으며 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 싱크로트론 X-ray로 세계 최초로 밝혔다.

이는 물로부터 수소를 발생시키는 경우 니켈계 금속 촉매에서 필요한 과전압보다 60% 더 낮은 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여준 것이다. 이와 동시에 뛰어난 내구성으로 높은 전류와 전압조건에서 운행된 12시간 동안의 물 분해 실험에서 성능이 거의 감소되지 않았다.

연구를 수행한 (왼쪽부터) 유성종, 정영훈, 이승철 박사.<사진=KIST 제공>
연구를 수행한 (왼쪽부터) 유성종, 정영훈, 이승철 박사.<사진=KIST 제공>
연구팀에 따르면 이 실험은 새로운 촉매가 기존의 니켈 산화물 촉매와 귀금속계 촉매보다 내구성이 우수함을 입증한 것으로 특히 인화니켈 나노선 촉매는 단위 면적당 높은 반응성을 보여 현재까지 보고된 니켈계 촉매들의 성능 중 최고 수준이다. 

유성종 박사는 "미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지로서 물을 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화는 중요한 이슈가 되고 있다"라며 "그런 의미에서 이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의의가 있다"고 말했다.

연구결과는 국제학술지 나노에너지 8월호에 게재됐다. 해당 연구결과는 국내특허 출원 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다.

저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지