수전해(水電解)는 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용해 물을 전기분해하는 그린수소 추출 기술로, 현재 알카라인 수전해 방식이 기술 성숙도가 가장 높다.

이 방식을 이용하면 수소 생산단가가 낮은 장점이 있지만, 전기분해를 할 때 물 산화 반응에서 높은 전압이 필요하기 때문에 고성능 촉매가 필요하다.

때문에 촉매의 성능을 향상시키려는 연구가 활발한데, 대표적으로 기전 촉매에 다른 금속원자를 치환 또는 추가해 전자구조를 변화시키는 방법이 있다.

현재 연구 중인 일반산화물 촉매는 금속산화물 구조 내 균일도를 원자단위로 조절하기 어려운 것이 걸림돌이 됐다.

다공성 금속 기반 신개념 그린수소 촉매

한국연구재단은 포항공대, 충남대, KAIST 공동연구팀이 그린수소를 안정적이고 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 전기화학 촉매 합성기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

또 공동연구팀은 수전해 소재로 주목받는 다공성 금속유기구조체(MOF)를 이용해 성능 향상의 원인을 원자 단위에서 규명하는데도 성공했다.

MOF는 금속과 유기물이 결합해 다공성 구조를 형성하는 물질로, 우수한 물리화학적 특성을 가져 에너지저장 분야에서 활용도가 높다.

공동연구팀은 MOF에 철을 원자단위 비율로 개질해 산소와 물을 발생시키는 ‘물 산화 반응(Water Oxidation Reaction,WOR) 성능을 높이고, 레이져로 물질구성을 분석하는 라만분광법으로 이에 대한  메커니즘을 규명했다.

MOF에 다양한 금속원자를 촉매에 도입하는 방법으로 물 산화 활성에 접근, 금속과 유기물이 규칙적 기공구조가 반복되는 MOF 결정구조를 활용함으로써 다른 금속 활성화 자리를 구획된 구조에 도입하고 원자단위 설계로 이성분계 MOF를 합성할 수 있었다.

이를 위해 공동연구팀은 알칼리성 수용액 환경에서도 안정적인 니켈-트리아졸 배위 결합을 활용해 금속-유기구조체를 합성했다.

그리고 이 시스템에 철이나 코발트 같은 이성분계 금속-유기구조체를 형성, 특히 철을 합금한 금속-유기구조체에서 향상된 WOR 성능을 확인했다.

특히 니켈과 철 기반 MOF에서 WOR에 필요한 과전압을 크게 저감함으로써 기존 금속산화물에 버금가는 성능을 확보했다.

아울러 공동연구팀은 촉매의 성능 향상 원인을 화학적으로 규명하는데 성공했다.

공공연구팀이 개발한 금속-유기구조체 기반 촉매는 결정구조가 명확해 기존 산화물과 금속기반 촉매의 표면구조에 비해 해석이 간단하다는 장점이 있다.

이를 통해 기존 산화물 기반 촉매에서 복잡하게 해석됐던 이성분 또는 다성분계 시스템에 대한 해석도 금속-유기구조체로 보다 단순한 해석이 가능함을 제시했다.

이를 활용하면 다양한 금속원소 조합에서 촉매반응 활성정도 예측과 해석 연구에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 KAIST 화학과 정재우 석박사통합과정과 김민석 포항공대 화학과 석사가 제1저자로, 포항공대 화학과 박선아 교수와 충남대 에너지과학기술대학원 신혜영 교수가 교신저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 매터리얼즈’ 지난달 22일자에 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com