기술과 솔루션
백금촉매 OUT, 값싸고 오래가는 수소생산 촉매 개발
작성자 : 편집부
2020-10-11 |
조회 : 1474
- 수소생산 경제성 확보할 고효율·고내구성 전이금속계 수전해 촉매 개발
- 저가 인화몰리브덴에 티타늄 미량 도핑… 전자구조 변화로 내구성 대폭 향상
수소전기차로 대표되는 수소경제 활성화의 핵심은 전기를 생산하기 위한 수소를 저렴한 가격에 생산하는 것이다. 수소를 생산하는 방법은 부생 수소 포집1), 화석연료 개질2), 수전해 등이 있다.
그중 친환경적 방법인 ‘물의 전기분해’인 수전해 방식에서 수소 발생 반응을 촉진하는 역할을 하는 촉매는 수소경제의 효율과 가격경쟁력을 결정하는 가장 중요한 요소이다.
하지만 수전해 장치에서는 수소 발생 반응 활성과 장기 내구성에서 어떤 물질과도 비교할 수 없을 만큼 좋은 성능을 보이는 고가의 백금(Pt)촉매를 필수적으로 사용해야 해 다른 방법들만큼 가격경쟁력을 확보할 수 없었다.
부생 수소 포집: 석유화학 및 제철 산업 등의 공정에서 부가적으로 발생하는 수소를 포집하는 방법
천연가스 같은 탄화수소 연료를 개질기에 통과시켜 수소를 얻는 방법
티타늄 도핑된 인화 몰리브덴의 수소 발생 반응 메커니즘 모식도
수전해 장치는 물에 녹아 전류를 흐르게 해주는 전해질에 따라 다양한 종류가 있다. 이 가운데 고분자 전해질막(Proton exchange membrane, PEM) 기반 수전해 장치는 고가의 백금계 촉매가 아닌 전이금속 소재의 촉매에서도 수소 발생 반응 활성이 높아 상용화 연구가 집중되고 있다.
하지만 활성을 끌어올리는 데 연구가 집중되는 사이 전기화학적 환경 속에서 쉽게 부식되는 전이금속 소재의 내구성을 높이는 연구는 상대적으로 등한시됐다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀이 백금을 사용하지 않고 수소생산 효율을 향상시키고, 비 백금촉매의 한계였던 내구성 문제를 극복하여 장기적 안정성을 확보한 전이금속3) 소재의 촉매를 개발했다고 밝혔다.
전이금속: 원자의 전자배치에서 최 외부의 d 오비탈이 불포화이거나, 불포화인 이온을 만드는 원소로 주기율표의 3족에서 12족 원소가 모두 포함된다.
(a) 티타늄 도핑된 인화 몰리브덴의 구조 및 수소 발생점의 모식도
(b, c) 수소 발생 반응에 대한 활성과 15일간의 촉매 안정성 평가결과
KIST 유성종 박사팀은 저가의 전이금속인 인화 몰리브덴(MoP)에 스프레이 열분해(spray pyrolysis)4) 공정을 통해 소량의 티타늄을 주입하였다. 몰리브덴은 값이 싸고 비교적 다루기 쉬워 에너지 전환 및 저장장치의 촉매 재료로 사용되고 있지만, 산화에 취약하여 쉽게 부식되는 게 단점이었다.
4) 스프레이 열분해(spray pyrolysis): 가습기 또는 노즐을 이용하여 전구체를 액적으로 만들고, 이를 고온의 전기로를 통과시켜 분말을 얻는 공정
(a) 티타늄 도핑된 인화 몰리브덴 촉매 합성 방법
(b) 합성된 촉매의 구조와 티타늄 도핑 사이트 분석결과
KIST 연구팀이 개발한 촉매는 합성 과정에서 각 재료의 전자구조가 완전히 재구성되며 수소 발생 반응의 활성도가 백금계 촉매와 동등한 수준을 보이는 것으로 확인됐다.
특히, 전자구조의 재구성에 따라 전이금속계 소재의 고질적인 한계로 지적되던 높은 부식성을 개선하여 기존 촉매 대비 내구성이 26배 향상되어 비백금계 촉매의 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 보인다.
KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 전이금속계 촉매 기반 수전해 장치의 최대 제약이었던 안정성을 향상한 것에 의의를 찾을 수 있다”며, “전이금속계 촉매의 수소생산 효율을 백금촉매 수준으로 끌어올림과 동시에 안정성을 동시에 향상시킨 이번 연구가 친환경 수소에너지 생산기술의 상용화를 한 발 더 앞당기는 데 기여하기를 바란다”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행되었다.
이번 연구는 에너지 및 나노 분야의 국제 학술지인 ‘Nano energy’(IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신호에 게재되었다.
* 논문명: Electron-deficient titanium single-atom electrocatalyst for stable and efficient hydrogen production
- 제1저자: KIST 수소·연료전지연구단 장인준 박사후연구원
- 교신저자: KIST 수소·연료전지연구단 유성종 책임연구원
문의: 수소·연료전지연구단 유성종 책임연구원(T.02-958-5260, 010-8753-6008)
