차세대 에너지, 수소도 있다…상용화 앞당길 신촉매 개발(05.14)

국내 연구진, 전기분해촉매 '망간포스페이트' 합성 성공

㎏당 2달러·30분 만에 합성 완료…생산 효율도 5배 높아

▲ 망간포스페이트 나노 구조체의 전자 현미경 사진과 결정 구조 그림. <사진=미래창조과학부>

화석연료 고갈로 인한 차세대 에너지 개발에 관심이 높은 가운데, 국내 연구진이 수소 상용화를 앞당길 신촉매를 개발해 주목받고 있다.

수소는 물로부터 생산이 가능한 만큼, 가장 주요한 대체에너지로 평가받고 있다. 현재 산업에서는 전기분해를 통한 수소 생산이 가능하지만, 상용화하기에는 심각한 문제가 있다. 전기분해 과정에 촉매가 필요한데, 희소금속이면서 제조과정이 까다로운 백금이나 이리듐이 사용된다. 결국 생산비용이 높아져 상용화할 수 없는 것이다.

국내 연구진이 현 상황을 타개할 수 있는 새로운 물질기반 촉매 개발에 성공한 것.

미래창조과학부(장관 최문기)는  남기태 서울대 재료공학부 교수팀과 한승우 서울대 교수팀, 김선희 기초지원연 박사팀이 인공 물분해 촉매인 '망간포스페이트' 합성에 세계 최초로 성공했다고 14일 밝혔다.

이번 연구는 글로벌프로티어사업 일환으로 추진하는 '멀티스케일에너지시스템연구단' 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 4월 23일 미국 화학학회지 온라인판에 실렸다.

▲ 물 분해 반응 도중 발생하는 망간포스페이트와 기존 망간 계열 

촉매의 결정구조 변화 모식도. <사진=미래창조과학부>

연구팀은 자연계에 존재하는 망간클러스터 촉매 특성이 기존 희소금속 촉매보다 월등히 뛰어나다는 점에 주목, 자연계 칼슘망간(Mn4Ca) 클러스터의 구조적·재료적 특성을 분석하고 이를 모사할 수 있는 인공촉매물질을 디자인했다.

이를 토대로 망간포스페이트[Mn3(PO4)2-3H2O] 제조에 성공했다. 제조법도 간단하다. 상온에서 망간 양이온과 포스페이트 음이온을 정량 비율에 맞춰 혼합하고, 30분에서 24시간 정도 상온에서 합성을 진행하면 된다. 또 전기 화학 특성을 평가하기 위해 전극을 합성 용액에 담궈 놓으면 기판 위에 망간포스페이트 화합물이 자가 조립 돼 꽃 모양으로 형성됨을 확인했다.

더불어 합성된 망간포스페이트 촉매가 물분해 과정에서 반응하는 매커니즘도 명확히 밝혀냈다. 이 분야는 한승우 서울대 교수팀과의 공동연구로 진행됐다.

제 1 원리 전산모사 방법을 통해, 실제 망간포스페이트를 통한 물분해 반응이 기존 망간 기반 촉매보다 월등히 우수함을 밝혔다. 수소 1kg을 생산 하는 데 필요로 하는 전략량 (kg/kwh)이 기존 망간 기반 촉매에 비해 5배 이상 감소됐다.

연구진은 "망간포스페이트 화합물은 지구상에 가장 풍부한 금속 중 하나인 망간을 기반으로 하기 때문에, 세계에서 가장 값싼 촉매로 평가된다"면서 "물 분해 촉매인 망간포스페이트는 전이금속 기반 촉매 디자인의 새로운 지평을 열었으며, 물 전기분해·연료전지·이차전지 등 광범위한 분야에 응용되리라 기대된다"고 밝혔다.

이어 "특히 일상생활과 산업 전반에 다양하게 존재하는 전자소재 및 전기화학반응의 촉매로서 응용·적용하려는 연구 개발이 활발히 일어날 것"이라고 전망했다.