스스로 고효율 촉매로 변신하는 물 분해 전극 소재 개발


- 저가의 니켈로 저비용 · 대량생산 가능한 물 분해 촉매 전극 제조 기술개발 
- 물 분해 수소 생산 상용화 기대, 인공광합성 시스템 효율 향상에 기여

 

물로부터 수소를 얻는 기술은 가장 대표적인 청정연료 생산방법으로 알려져 있다.  가까운 미래에는 연료전지의 보급 등으로 청정에너지인 수소의 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상된다. 그러나 현재의 수소 제조법은 대부분 화석연료를 기반으로 하여 제조 과정에서 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 방출하는 문제점을 가지고 있어, 새로운 청정 수소 제조법의 개발이 절실하다. 이에 다양한 촉매전극을 이용하는 물 분해-수소 제조법이 많이 연구되고 있으나 아직까지 생산 효율이 매우 낮고, 고비용 전극 제조 방법을 사용하고 있어 실용화에 크게 어려움을 겪고 있다.  

 

민병권 박사황윤정 박사

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사팀은 저가형 금속 소재인 니켈(Nickel)을 이용하여 매우 간단한 공정을 통해 고효율의 물 분해 촉매전극을 만들 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히 이 기술은 수소 생산뿐만 아니라, 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 미래 기술인 인공광합성 분야의 물 산화 촉매로도 응용가능하기 때문에 그 파급성은 매우 크다고 할 수 있다.

물 분해 수소생산 기술에는 크게 두 가지 중요 촉매 기술이 필요한데, 한 가지가 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 물 산화 촉매이고 다른 하나는 수소이온을 환원시켜 수소를 만드는 촉매 기술이다. 이 중 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 반응이 훨씬 더 많은 에너지를 요구하는 어려운 반응이며, 아직까지 저가 소재를 기반으로 한 고성능의 촉매가 개발 되지 못한 상태이다. 기존에 이리듐, 루테늄 등의 희귀 고가 소재로 이루어진 촉매전극으로 높은 성능의 결과가 보고되었으나, 대량생산 및 상용화를 위해서는 저가 소재를 이용하여 고효율 촉매를 만들 수 있는 기술 개발이 절실한 상황이었다.

 

<그림 1> (상단) 자발적 변신에 의해 형성된 고활성 니켈 폼의 모습 (하단) 이 촉매를 구성하고 있는 물질 및 형태를 도식으로 나타낸 모습

 

KIST 연구진은 다공성의 니켈 폼(Ni foam)을 이용하여 단순히 황(Sulfur) 기체 조건에서 열처리 한 후 물 분해 반응을 진행시키면, 처음 황 기체에 의해 황화가 된 니켈 폼의 표면이 물 분해 활성이 매우 높은 형태(니켈하이드록사이드(Ni(OH)2/NiOOH))로 자발적으로 전환되면서 고효율의 물 분해 촉매로 변신하는 현상을 발견하였다. 연구진은 이러한 간단한 공정을 통해 만든 촉매전극을 개발하여, 세계 최고 수준의 고성능(과전압 256 mV @ 10 mA/cm2)을 나타내었다. 특히 이렇게 만들어진 촉매는 중성 pH 조건에서도 잘 작동하는 것이 검증되어 향후 인공광합성 시스템에 활용되어 효율과 내구성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

KIST 민병권 센터장은 “ 이 기술은 저가이면서 대량생산이 가능한 소재인 니켈 폼을 이용하여 매우 간단한 황화 열처리만으로 고효율의 물 분해 촉매 전극을 제조할 수 있다는 것이 장점으로 향후 물 분해 수소 생산 기술의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행 되었으며, 연구결과는 촉매 분야 최고 수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 게재되었다.
  

* (논문명) Activation of a Ni electrocatalyst through spontaneous transformation
              of nickel sulfide to nickel hydroxide in an oxygen evolution reaction 
            - (제1저자) 한국과학기술연구원 이민오 박사
            - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 책임연구원, 황윤정 책임연구원

Posted by KIST PR

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