[대학저널 황혜원 기자] UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부 김건태·백종범 교수팀이 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했다.
이 촉매를 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 ‘수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO₂system)’에 적용하면 수소를 쉽고 빠르게 얻을 수 있다. 개발된 촉매는 이산화탄소가 녹아 있는 ‘탄산 환경’에서도 잘 작동할 뿐만 아니라 저렴한 재료를 이용해 간단한 공정으로 합성 가능해 상용화 가능성도 높다.
‘수계 금속-이산화탄소 시스템’은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 이용해 수소와 전기를 생산하는 시스템이다. 앞서 김건태 교수 연구팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 현상에 착안해 수계 금속-이산화탄소 시스템 개발한 바 있다. 이 시스템에서는 이산화탄소가 물에 녹아 생기는 수소이온(양성자, H+)이 전기화학적 반응을 통해 환원되면서 수소가 만들어진다.
이 때 전기화학 반응에 필요한 에너지를 장벽을 낮추기 위해 촉매를 사용하는데, 기존의 금속-이산화탄소 시스템에는 백금(Pt) 등의 귀금속 계열 촉매가 활용됐다. 고가의 귀금속 계열 촉매의 대안으로 다양한 금속 산화물 및 탄소 촉매들이 제시됐으나, 이 촉매들은 이산화탄소가 포화 된 환경에서 수소 발생 활성도가 낮다는 단점이 있었다.
김건태·백종범 교수 공동 연구팀은 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었다. 루테늄 금속(Ru)과 다공성 탄소 지지체(PSC)가 결합된 ‘루테늄 탄소 복합 촉매(CF-Ru@PSC)’는 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 백금 촉매 만큼 우수한 수소 발생 반응 활성도를 나타낸다. 또한 1,000시간의 구동에도 높은 안정성을 보였다.
제1저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “카르복실기가 사라지고 나면 루테늄 금속과 탄소 지지체의 강한 결합이 일어나는데, 여기서 추가적인 촉매 반응이 일어나 이산화탄소가 포함된 전해질에서도 수소 발생 반응 활성도가 높다”고 말했다.
이번에 개발된 촉매는 제조 공정도 간단해 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 저렴한 루테늄 금속과 탄소 원료를 사용해 가격이 기존 백금촉매의 1/10수준으로 저렴하다.
김건태 교수는 “수계 금속-이산화탄소 시스템에 백금 대신 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “이번 연구를 통해 차세대 전극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다”고 전했다.
이번 연구는 UNIST 자비드 마흐무드 연구교수와 POSTECH 한정우 교수가 각각 공동교신저자, 공동저자로 참여했다. 재료 분야 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 지난 5월 29일자로 온라인 공개됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF) 등 지원으로 이뤄졌다.
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