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DGIST, 물 전기분해를 위한 금속성 양극 촉매 개발
물 전기분해 장치에서 양극으로 활용할 수 있어 관련 기술 상용화 위한 가능성 제시
2018년 02월 22일 (목) 09:26:35
   
▲DGIST 에너지공학전공 상가라주 샨무감 교수가 물 전기분해를 위한 금속성 양극 촉매에 대해 설명하고 있다

[대학저널 유제민 기자] DGIST(총장 손상혁) 에너지공학전공 상가라주 샨무감 교수 연구팀이 물을 전기분해할 수 있는 코어-쉘 나노 구조의 고효율 전기화학적 촉매(Core-shell Co@NC)를 개발했다. 연구팀은 이 촉매를 사용해 물의 전기분해에서 양극을 대체하는 실험에도 성공했다.

기존에 사용되는 연료를 활용해 재생 가능한 에너지로 전환하는 것은 친환경적 에너지 개발과 미래 에너지원 확보 차원에서 중요한 이슈다. 국내외적으로 재생에너지 장치에서 양극(+)과 음극(-)의 산화환원 반응을 이용해 전기화학적 에너지 생성 혹은 전환하는 많은 연구가 진행 중이다.

물 전기분해 반응에서 촉매를 이용해 양극에서 산소가 발생하는 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction)은 수소 발생 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction)에 비해 비교적 느린 전기화학적 반응이다. 이에 따라 안정적이고 효율이 높은 산소 발생 반응을 돕는 전기화학적 촉매 개발에 대한 연구가 활발하며, 산소와 함께 에너지 자원으로 활용가능한 수소가 생성되는 물 전기분해 장치도 주목받고 있다.

지금까지 루테늄과 산화이리듐이 산소 발생 반응에 적합한 전기화학적 촉매로 알려져 왔으나 안정성 문제와 희소성으로 인해 대량의 물 전기분해에 활용하기 힘들었으며 상용화에도 한계가 있었다.

샨무감 교수 연구팀은 미국 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(PNNL, Pacific Northwest National Laboratory) 연구팀과 공동으로 효율적인 물 전기분해를 위해 기존의 귀금속 산화 전극을 대체할 수 있는 저가의 비귀금속 전기화학적 촉매를 개발하는 연구를 진행해왔다.

연구팀은 강한 내구성을 가지면서도 높은 효율을 나타내는 코어-쉘 나노 구조의 전기화학적 촉매(Core-shell Co@NC)를 개발했다. 또 물 전기분해 장치에서 산소 발생을 촉진시키는 실험으로 기존 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있다는 가능성도 확인했다.

연구팀이 개발한 촉매는 금속-유기 골격체(MOFs) 가운데 하나인 유기 리간드로 연결된 다량의 코발트 금속 이온으로 이뤄진 프러시안 블루 아날로그를 전구체로 활용해 나노탄소층으로 캡슐화시킨 것이 특징이다.

프러시안 블루 아날로그를 가열하면 코발트 금속 이온과 유기 리간드는 각각 코발트 금속과 질소가 섞인 탄소층으로 변환돼 얇은 탄소층과 캡슐화된 코발트 금속으로 이뤄진 코어-쉘 나노 구조를 형성한다. 이러한 구조적 특성으로 인해 탄소의 내구성이 향상되고 전자의 초고속 이동과 뭉침이 없는 균일한 나노미터 사이즈의 촉매 제작이 가능했다.

물 전기분해 장치의 전극에서 탄소와 코발트 금속의 결합은 백금, 이리듐 등의 귀금속 전극에 비해 산소 발생 반응을 가속화시켜 촉매를 활성화함으로써 효과적으로 물을 분해할 수 있다. 이는 물 전기분해 장치에서 비귀금속 전극을 활용해 경제적이고 안정적으로 수소를 생산하기 위한 양극으로 활용할 수 있다.

상가라주 샨무감 교수는 "코어-쉘 나노 구조의 전기과학적 촉매의 나노 구조는 촉매 표면의 얇은 탄소층을 보호하고 초고속 전자 이동을 가능하게 해 촉매의 전기화학적 활성과 안정성을 향상시켰다"며 "물 전기분해 장치에 활용해 대체에너지로 주목받는 수소 대량 생산을 위한 후속 연구를 진행하겠다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 신소재 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 1월 11일자 온라인판에 게재됐다.


유제민 기자 yjm@dhnews.co.kr
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