김광수(왼쪽 아래) UNIST 화학과 교수와 탕가벨(오른쪽 아래) 연구원.[UNIST 제공] 촉매 실증실험에서 사용한 '알칼리 음이온 교환막 물 전기분해조' 모형.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 미래 에너지원으로 각광받는 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 길이 열렸다.

울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 화학과 김광수 교수 연구팀은 물 전기 분해 효율을 높일 ‘금속 유기물 복합체’ 촉매를 개발했다고 4일 밝혔다.

염기성 전해질에서 사용 가능한 이 촉매는 수전해 기술에서 병목 현상으로 지목되는 산소 발생 반응을 촉진해 전체 반응 효율을 높인다.

수전해는 전기로 물(H2O)을 분해해 수소(H2)와 산소(O2)를 생산하는 방식이다. 여기선 수소, 산소 생산의 두 가지 반응이 각각 동시에 일어나는데, 문제는 전체 반응이 속도가 느린 산소 발생 반응에 맞춰 진행된다는 데 있다. 때문에 산소 발생 반응이 늦어질수록 수소 생산 속도도 더디게 된다.

김광수(왼쪽 아래) UNIST 화학과 교수와 탕가벨(오른쪽 아래) 연구원.[UNIST 제공] 촉매 실증실험에서 사용한 '알칼리 음이온 교환막 물 전기분해조' 모형.[UNIST 제공]

연구팀은 니켈과 철을 포함하는 금속 유기 골격체(MOF)를 이용해 개발한 촉매로 새로운 해결방안을 제시했다. 금속 유기 골격체는 금속과 유기물이 마치 건축물의 ‘철근’과 같은 뼈대 모양을 이루는 물질이다. 미세한 크기의 구멍(채널)이 많아 표면적이 넓고, 촉매 반응이 일어나는 금속 원자가 표면에 노출 된다는 장점이 있다. 게다가 상용 촉매에 사용되는 이리듐에 비해 니켈과 철은 매장량도 많고 가격도 저렴하다.

이번에 개발 된 촉매는 기존 산화이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로 많은 양의 수소를 생산해 낼 수 있다. 알칼리 음이온 교환막 수전해 장치를 만들어 실제 촉매의 성능을 평가한 결과 300 mV(밀리볼트) 전압에서 단위 면적(cm2)당 0.5 A(암페어)의 전류 밀도를 달성했다. 이는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이다. 또 1000시간 이상을 작동했을 때도 우수한 내구성을 보였다.

김광수 교수는 “이번 연구를 통해 느린 산소 발생 반응 속도 문제를 개선했을 뿐만 아니라, 기존 상용 촉매의 가격과 안정성 문제도 동시 해결할 수 있었다”며 “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용 될 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 & 환경과학’ 5월 27일자 온라인판에 출판됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com