- 10배 이상 개선된 물산화 전극 개발

최근 지구온난화에 따른 이상기후 현상이 인류의 생존권까지 위협하면서 ‘탄소중립’에 대한 중요성이 어느 때보다 커지고 있다. 우리나라는 ‘2050 탄소중립’을 선언하고 온실가스 감축을 위해 노력하고 있다. 탄소중립의 실현을 위해서는 이산화탄소의 발생량을 줄이는 그린수소 생산과 더불어 이미 발생한 이산화탄소를 활용하는 CCU¹⁾ 기술이 필수적이다.

두 기술이 실제 온실가스 감축에 실효성을 가지기 위해서는 전기화학적 반응을 유도하는 물산화 전극의 활성을 높여 사용되는 에너지를 줄여야 한다. 이를 위해 반응 중 촉매 표면의 전자구조를 이해하고자 하는 시도가 계속되었으나 초고진공(Ultra High Vacuum, UHV) 조건에서 실험을 진행해야 하는 어려움으로 계산과학을 통해 간접적으로 예측할 뿐이었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 오형석, 이웅희 박사팀과 특성분석센터 채근화 박사팀은 국내 최초로 방사광 가속기(10D XAS KIST 빔라인) 기반 실시간 연 X-선 흡수분석법2)을 개발해 ‘그린수소 생산 및 이산화탄소 전환’에 적용되는 물산화 전극의 반응 중 표면 전자구조를 관찰하고 이를 분석해 새로운 전극 제조 방법을 개발했다고 밝혔다.

방사광 가속기 기반 실시간 연 X-선 흡수분석법 측정 장비

방사광 가속기 기반 실시간 연 X-선 흡수분석법 측정 장비 모식도

연구진은 초고진공 조건에서 가속기 기반 연 X-선 흡수분석법으로 반응 중 전극 표면의 전자구조와 스핀 상태를 측정해 반응 중 코발트 물질 구조가 재구성된다는 사실을 밝혀냈다. 

전극 물질의 변화를 알아낸 연구진은 이를 통해 물산화 전극의 성능을 향상시키는 방법을 제시했다. 일반적으로 코발트는 산화조건에서 열역학적으로 4가의 산화상태가 되기 쉬우며 물산화 활성이 매우 낮다. 

높은 물산화 활성을 유지하기 위해서는 3가의 산화상태를 유지해야 하는데, 연구진이 개발한 공정을 통해 3.2가의 산화상태와 높은 활성을 얻을 수 있었다. 개발된 전극은 상용 코발트 전극과 비교해 1,000배 이상의 넓은 전기화학적 표면적을 보였으며, 실제 수전해 시스템에 적용하여 10배 이상의 수소생산 성능 개선을 보였다.

산화탄소 활용기술 (CCU, Carbon Capture & Utilization)

전자의 가속전압 0.12∼12 keV 대에서 발생하는 0.1nm 이상 파장인 연(軟)X선을 물질에 입사하면 광자가 흡수되어 사라지고 원자의 내각에 정공이 생기는데 이를 측정해 물질의 화학 결합 상태나 방향 등을 측정하는 방법

방사선 가속기 기반 실시간 연 X-선 흡수분석법 측정을 이용한 코발트 촉매의 전자구조 변화 결과

재구성 방식으로 만든 촉매의 TEM과 SEM 이미지

KIST 오형석 박사는 “방사광 가속기 기반 실시간 연 X-선 흡수분석법을 개발함으로써 촉매 물질 특성에 대한 이해와 성능 향상에 한 걸음 더 나아갔다. 이는 인공광합성기술 개발에 필수적인 기술로 향후 그린수소 생산 및 전기화학적 전환 시스템에 중요 기술인 물산화 전극 성능 향상에 큰 도움이 될 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 ‘KIST 주요사업’, ‘Carbon to X 사업’ 및 국가과학기술연구회(이사장 김복철)의 ‘창의형 융합연구사업’으로 수행되었으며, 연구 결과는 과학 분야 국제저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 14.919, JCR 분야 상위 4.861%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Electrode reconstruction strategy for alkaline oxygen evolution reaction: maintaining Fe-CoOOH phase with intermediate-spin state during electrolysis

- (제1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 선임연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 채근화 책임연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원

이웅희 박사(제1저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 청정에너지연구센터 선임연구원 ○ 전화: 010-2872-7273 ○ e-mail: abcabac@kist.re.kr
오형석 박사(교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 청정에너지연구센터 책임연구원 ○ 전화: 010-5816-0419 ○ e-mail: hyung-suk.oh@kist.re.kr
채근화 박사(교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 연구자원·데이터지원본부 특성분석센터 책임연구원 ○ 전화: 02-958-5091 ○ e-mail: khchae@kist.re.kr