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'물 전기분해 귀금속 촉매 대체' 친환경 화합물 촉매 개발

KAIST "이리듐-루테늄 양극촉매 대체할 니켈-코발트 촉매 개발"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 물을 전기분해 해 수소와 산소를 생산할 때 사용되는 양극 소재인 귀금속 촉매를 대체할 값싸고 친환경적인 화합물 촉매를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 오일권 교수팀은 19일 물 분해에서 산소가 발생하는 양극 소재로 사용되는 이리듐-루테늄 산화물 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 기반의 친환경 화합물 촉매를 개발했다고 밝혔다.

이중 나노선 형상의 촉매 제작 과정 모식도
이중 나노선 형상의 촉매 제작 과정 모식도[KAIST 제공=연합뉴스]

수소가 연료전지 등 미래에너지원으로 떠오르면서 수소를 친환경적으로 생산할 수 있는 물 분해도 주목받고 있으나 물 전기분해로 수소를 생산하는 방법은 비용이 많이 들어 상용화에 어려움이 있다.

특히 산소가 발생하는 양극에는 이리듐-루테늄 산화물 귀금속 촉매가 필요하고 수소가 발생하는 음극에는 백금이 필요해 이를 대체할 값싼 촉매 개발이 과제가 되고 있다.

연구진은 양극 소재인 이리듐·루테늄 산화물 촉매를 대체할 니켈-코발트 금속 화합물 촉매의 성능을 높이고 손쉽게 제작하는 기술을 개발했다.

니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 가격은 저렴하지만, 이리듐-루테늄 산화물 촉매보다 전압이 높아야 하는 등 상대적으로 성능이 낮은 문제점이 있었으나 연구진은 고온, 고압에서 물 또는 수용액에 금속 등을 녹여 물질을 합성하는 수열합성으로 이를 극복했다.

수열합성으로 제작된 니켈-코발트 촉매는 표면적이 크게 넓어져 성능은 이리듐-루테늄 산화물 촉매와 비슷하면서도 제작비용은 10분의 1 정도로 낮다.

이중 나노선 구조의 전기화학적 촉매작용 모습
이중 나노선 구조의 전기화학적 촉매작용 모습[KAIST 제공=연합뉴스]

연구진은 또 추가 수열합성을 통해 촉매 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 둘러싸 전극과 나노선 복합체 사이의 전하 전달 능력을 극대화한 이중 나노선 형태의 촉매를 제작했다. 이중나노선 형태 촉매는 단일 니켈-코발트 금속 촉매보다 30% 낮은 전압과 2.7배 높은 단위면적당 촉매 활성도를 보였다.

오 교수는 "니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 생산 과정이 간단하고 대량 생산이 가능하며 성능도 기존 귀금속 촉매에 뒤지지 않는다"며 "이 연구가 물을 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

한국연구재단 리더연구자지원사업 지원으로 배석후(박사과정)씨가 논문 제1 저자로 참여한 이 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials, 1월호) 표지논문으로 게재됐다.

KAIST 오일권 교수(왼쪽)와 배석후(박사과정)씨
KAIST 오일권 교수(왼쪽)와 배석후(박사과정)씨 [KAIST 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2017/01/19 10:04 송고

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