[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 화석 연료를 대체할 친환경 에너지로 물을 전기로 분해해 얻는 수소에 대한 관심이 뜨겁다. 이때 전기를 적게 쓰도록 물 분해 반응의 효율을 높이는 게 중요하다. 여기서 중요한 산소 발생 반응을 도와줄 저렴한 고성능 촉매가 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원) 자연과학부 화학과의 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀은 물의 전기분해에 쓰일 저렴한 촉매로 '철/코발트 인산(FeCoPO₄)' 물질을 개발하는 데 성공했다고 25일 밝혔다. 이 촉매는 상업적으로 쓰이는 비싼 촉매에 비해 25%나 성능이 개선돼 눈길을 끈다.

연구결과는 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)' 최신호에 출판됐다.

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 이론적으로 예측된 철/코발트 인산(FeCoPO₄) 촉매 물질의 구조: 철(Fe)은 노란색, 코발트(Co)는 파란색, 인산(P)은 보라색, 산소(O)는 빨간색, 수소(H)는 하얀색으로 표시됐다. 첨가된 인산은 철과 코발트 주변의 전자 배치 분포와 화학결합 상태를 바꿔 금속 활성 사이트의 산소 환원 전위를 낮춰 준다. [그림=UNIST] 2019.11.25 kimys@newspim.com

물 분해 반응에서는 수소와 산소를 만드는 반응이 각각 동시에 일어난다. 그런데 둘 중에서 산소 발생 반응은 상대적으로 속도가 느려 전체 물 분해 반응의 효율을 낮춘다.

이를 극복하기 위해 산화이리듐(IrO₂)과 산화루테늄(RuO2)을 산소 발생 반응의 촉매로 써서 반응속도를 높이고 있지만, 이들은 뛰어난 성능에 비해서 안정성이 낮다. 또 비싼 귀금속인 이리듐과 루테늄이 주성분이라는 한계점을 갖고 있다.

김 교수팀은 값싼 물질을 이용하면서 효율과 안정성이 높은 새로운 산소 발생 반응용 촉매를 개발했다. UNIST 화학과 연구진이 고안한 산화 그래핀 지지대 위에 철(Fe), 코발트(Co), 인산(P)을 넣은 물질이다. 또 화학과 연구진은 연구 방향에 맞춰 철과 코발트가 인산과 결합해 만들어질 수 있는 다양한 조성의 물질을 슈퍼컴퓨터를 사용해 계산했다.

철/코발트-인산 촉매에서 산소 발생 반응은 철과 코발트 원자 위에서 일어난다. 이 원자 주위의 전자 분포와 화학결합이 산소 발생 반응의 효율을 결정하는데, 새로 개발한 촉매의 경우에는 첨가된 인산이 이 부분을 최적화하는 것으로 계산됐다. 연구팀은 이렇게 이론적으로 예측된 물질을 합성해 실험적으로 입증했다.

이번에 개발된 철-코발트 인산 촉매는 상업용으로 쓰이는 산화이리듐 촉매보다 25% 이상 개선된 효율을 보였다. 촉매 효율은 반응을 일으키기 위해 추가로 들어가는 전기에너지의 양인 '과전압'으로 평가한다. 촉매 1㎠ 당 100밀리암페어(mA)의 전류 밀도를 얻을 때 산화이리듐은 303밀리볼트(mV)가 필요하지만, 새로운 촉매는 237mV만 필요했다. 이 값은 이론적으로 예측했던 값에도 가깝다.

새롭게 합성된 물질은 성능뿐만 아니라 안정성도 뛰어났다. 5000번 이상 반응한 후에도 구조적으로 크게 변하지 않았고, 70시간 동안 반응을 지속해도 반응성이 떨어지지 않았다. 또 촉매를 구성하는 산화 그래핀 지지체가 철/코발트와 인산의 낮은 전기 전도도를 보완해 한 층 더 우수한 반응성을 보였다.

김 교수는 "값비싼 상용 촉매보다 산소 발생 반응성이 훨씬 개선된 데다 수백 배 저렴한 촉매가 개발됐다"며 "앞으로 연료전지 등 여러 친환경 에너지 물질의 촉매 개발에도 유용할 것"이라고 밝혔다.

kimys@newspim.com