백종범 교수 연구팀, 루테늄 이용 안정성·가격·성능 경쟁력 갖춰

수소 발생 반응에서 촉매 효율 비교.<사진=UNIST 제공>
수소 발생 반응에서 촉매 효율 비교.<사진=UNIST 제공>
물을 분해해 수소를 얻을 수 있는 경제적인 촉매가 개발됐다. 최고 촉매로 알려진 백금과 비슷한 성능을 가지면서 가격은 4%수준이다. 또 물의 산도(pH)에 영향을 받지 않아 촉매로 적합하다는 평가다.

UNIST(총장 정무영)는 백종범 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀이 루테늄과 2차원 유기 구조체인 C₂N을 합성해 물 분해 촉매를 개발하고 성능 검증 결과 안정성과 가격을 모두 만족했다고 14일 밝혔다.

물을 원료로 수소를 얻는 기술이 상업적으로 경쟁력을 가지려면 좋은 촉매가 필요한데 ▲수소변환율이 높고  ▲내구성이 우수하며  ▲낮은 전압에서 작동하고  ▲가격면에서 경쟁력을 가져야 한다. 특히 전기화학적으로 구동되는 물 분해 촉매는 산도에 영향을 받지 않고 낮은 전압에서 수소를 발생시켜야 한다.

하지만 현재 수소발생반응에 사용되는 백금촉매는 고가의 귀금속이라 가격대비 수소 양산에 어려움이 있다. 또 염기성에서는 안정성이 낮다는 문제도 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 사용되는 값싼 비귀금속 촉매는 산성에서 부식되거나 높은 전압에서 작동하는 등 생산성에서 한계가 있었다.

이론적으로 루테늄(Ru)은 백금과 비슷한 수소 결합력을 가진 것으로 알려진다. 그러나 루테늄만 단독으로 쓰면 안정성이 나빠 이론적으로 뒷받침할 실험을 하기 어려워 그동안 연구가 이뤄지지 않았다.

연구팀은  이런 문제를 해결하기 위해 금속과 유기구조체를 이용한 복합체를 제조했다. 루테늄 나노 입자(2㎚ 미만)를 2차원 유기 구조체인 C₂N에 담아 고정시켰다. 그 결과 새로운 물 분해 촉매인 'Ru@C₂N'이 만들어졌다. 이 촉매는 백금보다 우수한 성능을 발현했으며, 산도에도 영향을 받지 않았다. 다른 금속과 비교해도 물 분해 촉매로서 우수성이 입증됐다.

또 연구팀은 같은 방법으로 코발트(Co), 니켈(Ni), 납(Pb), 백금(Pt)도 제조해 M@C₂N(M=Co, Ni, Pb, Pt) 촉매도 만들었다. 각각 촉매의 수소발생효율을 비교한 결과 Ru@C₂N 촉매가 가장 낮은 과전압에서 가장 높은 성능을 보였다. 또 촉매 활성도도 다른 촉매보다 뛰어났다.

백종범 교수는 "이번 연구는 재료과학기술분야에 새로운 방향을 제시하고 기초부터 응용까지 광범위한 가능성을 제시한다"면서 "학문과 과학기술의 잠재적 가치 덕분에 여러분야에서 주목될 것"이라고 기대했다.
 
한편 이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부와 한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC)로 수행됐다. 연구성과는 네이처 나노테크놀로지에 13일(영국 현지시간) 공개됐다.

Ru@C₂N 촉매를 개발한 UNIST 연구진의 모습. 왼쪽부터 백종범 교수, 정후영 교수, 자비드 마흐무드 박사, 펭 리 박사.<사진=UNIST 제공>
Ru@C₂N 촉매를 개발한 UNIST 연구진의 모습. 왼쪽부터 백종범 교수, 정후영 교수, 자비드 마흐무드 박사, 펭 리 박사.<사진=UNIST 제공>
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