고려대 연구팀, '수전해' 기술 생산가 낮출 '촉매' 개발

백금보다 4배 이상 비싼 '이리듐' 대체하기 위해

백금을 소량 도입한 '루테늄 산화물' 촉매 개발

[서울=뉴시스] 산소친화성 전이금속을 이용한 백금 도핑된 루테늄 산화물 나노라드 촉매 합성 모식도 및 촉매의 구조적 특이성 분석. a, b, e) 전이금속이 없는 백금 도핑된 루테늄 산화물 (Pt-RuO2/C), c, d, f) 산소친화성 전이금속 Co의 도움으로 백금 도핑된 루테늄 산화물 (PtCo-RuO2/C). g, h) X-선 흡수 미세구조 분석법 (EXAFS)을 통한 열적 산화 전 (PtRu/C와 PtCoRu/C)과 후 (Pt-RuO2/C와 PtCo-RuO2/C)의 원자간 결합 분석(자료=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 물을 전기화학적 방법으로 분해해서 수소를 얻는 '수전해' 기술은 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 탄소 중립을 실현하기 위해 꼭 필요하다. 이 '수전해' 기술의 성능을 향상시키려면 고효율의 산소 발생 촉매가 필요한데, 문제는 이 '촉매'로 값비싼 '이리듐'이 쓰인다는 것이다.

'이리듐'의 가격은 2021년 12월 기준, 1온스 당 약 4500불이다. 이는 같은 양에 950불 정도인 백금(金)의 4배가 넘는 금액이다. 따라서 이를 대체하기 위해 산소 발생 반응에 높은 활성을 보이는 '루테늄 산화물'이 알려져 있었지만 루테늄 산화물은 전기·화학적으로 불안정하기 때문에 수전해를 구동할 때, 전해질 속에서 쉽게 용출돼 사용할 수 없는 것으로 알려졌다.

그런데 최근 국내 연구진이 이러한 단점을 극복할 '가격이 절감된 고효율의 나노 촉매'를 개발했다고 밝혀 눈길을 끈다.

고려대학교는 화학과 이광렬 교수 연구팀이 공동연구를 통해 이 같은 성과를 냈다며 해당 연구 결과는 지난달 12일 세계적 학술지 'Energy & Environmental Science' 온라인판에 게재됐다고 7일 밝혔다.

이광렬 교수의 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 책임연구원팀, 한국과학기술원(KAIST) 정유성 교수팀과 백금이 소량 도입된 루테늄 산화물로 '나노입자'를 개발했다.

연구팀은 루테늄 산화물 표면에 소량의 백금을 도입하고, 이를 산성 전해질의 산소 발생 응용 촉매로 사용했다. 그 결과, 높은 에너지 효율을 나타냈으며, 장시간 구동에도 안정적인 내구성을 보였다.

구체적으로, 고분자 전해질 수전해 시스템에 적용할 경우, 2.0 V에서 상용 이리듐 산화물 촉매의 질량과 비교했을 때 2.5배 이상 증가한 수전해 성능을 보였다.

이광렬 교수는 "산성 전해질에서 매우 불안정한 루테늄 산화물 표면에 백금을 도입시킨 전략이 기술의 핵심"이라며 "수전해 환경에서 전해질에 쉽게 용출되는 루테늄 물질에 상대적으로 안정한 금속의 도입을 통하여 높은 성능과 동시에 내구성이 좋은 촉매를 구현할 수 있었다"고 설명했다. 

[서울=뉴시스] KIST 진하늘(왼쪽부터) 박사(제1저자), 고려대 최송아 박사과정생(제1저자), KAIST 정유성 교수(교신저자), KIST 유성종 박사(교신저자), 고려대 이광렬 교수(교신저자)(사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

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