지구온난화로 인한 환경 문제와 에너지 위기를 해결하기 위해 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 벗어나 친환경적이고 지속가능한 수소에너지로 전환하려는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 최근 포항공과대학교(POSTECH) 연구팀이 값싸고 쉽게 구할 수 있는 니켈을 촉매 전극으로 사용하여 물을 전기분해해 수소 연료를 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 제안해 수소경제 실현에 청신호를 밝혔다.
포항공대 신소재공학과 김종규 교수·통합과정 김재림 씨 연구팀은 화학공학과 한정우 교수·통합과정 정현정 씨 연구팀과 공동연구를 통해 친산소성 전이금속이 도핑된 고효율 니켈 기반 촉매 시스템을 개발하고, 촉매 흡착 특성과 알칼라인 수소 발생 반응 효율 사이의 상관관계를 밝혔다. 이번 연구의 성과는 우수성을 인정받아 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’의 표지 논문(Front Cover Paper)으로 선정됐다.
연료 전지는 산소(O₂)와 수소(H₂)가 물(H₂O)을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경적 발전(發電)장치이다. 이때 역반응으로써, 물을 분해해 수소 연료를 생성하는 수전해 환원은, 고순도의 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 친환경적이고 지속가능한 방식으로 알려졌다. 하지만, 이 방법은 값비싼 귀금속을 수전해 전극으로 사용해야 하는 등 비용이 높고 생산효율이 낮다는 단점이 있다. 물 전기분해를 통해 생산되는 수소 연료의 단가를 낮추기 위해서는 수소발생 효율을 극대화할 수 있는 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다.
공동연구팀은 기존 귀금속 전극에 비해 값싸고 풍부한 니켈에 친산소성 이종금속 물질을 결합해 알칼라인 수소 생산 반응에 최적화된 흡착 세기를 갖도록 고효율 촉매 소재를 설계했으며, 비귀금속 물질 조합을 통해 촉매 표면의 흡착 특성을 효과적으로 제어할 수 있음을 밝혔다.
또한, 연구팀은 나노 물질을 기판에 증착(蒸着)시키는 공정에서 기판을 기울이거나 회전시키는 간단한 방법으로 다양한 촉매 물질의 나노 구조를 쉽게 구현할 수 있는 ‘경사각증착법’을 도입했다. 최적의 물질, 최적의 나노 구조 조합을 통해 귀금속 백금 촉매를 대체할 수 있는 고활성·고안정성 비귀금속 ‘3차원 나노 스프링 촉매 전극’을 구현했다. 이렇게 제작된 나노 스프링 어레이 구조는 기존 니켈 박막 촉매와 비교해 과전압을 4배 이상 감소시키는 등 수소 생산 효율을 극대화시킬 수 있음을 확인했다.
연구를 주도한 교신저자 김종규 교수는 “이 연구는 지속 가능한 신재생에너지-수소 연료 전환시스템의 고효율화 및 실용화를 위한 학문적 토대뿐만 아니라 실용화의 단초를 제공한다는 점에서 큰 의미를 지닌다”며, “고성능 이종금속 나노구조 촉매 설계 원리와 개발 방법론을 제시함으로써 수전해 뿐만 아니라 이산화탄소 환원 기술, 광 에너지 변환 시스템, 연료 전지 등에 핵심 개념이 그대로 적용될 수 있으므로 환경 에너지 분야의 원천 기술 확보로 인한 기술의 확장성과 그 파급효과가 클 것으로 기대된다”고 말했다.
공동교신 저자인 한정우 교수는 “계산화학을 통해 촉매 흡착 세기를 제어할 수 있는 이종금속을 빠르게 찾아 비귀금속 물질만으로 이루어진 이종금속 촉매 전극을 구현함으로써 물 분해 환원 반응 속도를 획기적으로 증가시켰다”고 덧붙였다.
한편, 이 연구는 수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행됐다.

김재원 기자