울산과학기술원(UNIST) 연구진이 이산화탄소를 없애는 동시에 전기와 수소를 동시에 생산하는 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템'(Aqueous Zn-CO2 system)의 성능을 개선하는 촉매를 개발했다.
김건태·백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.
수계 금속-이산화탄소 시스템은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 이용해 수소와 전기를 생산하는 것이다.
앞서 김건태 교수팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 점에 착안해 이 시스템을 개발했다.
이산화탄소가 물에 녹아 생기는 수소이온이 전기화학적 반응으로 환원돼 수소가 생성되는 원리다.
이때 전기화학 반응이 용이하도록 에너지 장벽을 낮추기 위해 촉매를 사용하는데, 기존에는 백금 등 귀금속 계열 촉매가 활용됐다.
고가의 귀금속 계열 촉매 대안으로 다양한 금속 산화물과 탄소 촉매들이 제시됐으나, 이 촉매들은 이산화탄소가 포화한 환경에서 수소 발생 활성도가 낮다는 한계가 있었다.
연구진은 이산화탄소가 포화한 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었다.
루테늄 금속과 다공성 탄소 지지체가 결합한 ‘루테늄 탄소 복합 촉매’는 이산화탄소가 포화한 전해질에서도 백금 촉매만큼 우수한 수소 발생 활성도를 보였고, 1천 시간 구동에도 높은 안정성을 유지했다.
탄소 지지체에 붙은 카복실 작용기가 루테늄을 지지체에 더 단단히 고정하는 중간매개체 역할을 하기 때문인데, 쓰임을 다한 카복실 작용기는 열을 가해 쉽게 제거할 수 있었다.
개발한 촉매는 제조 공정이 간단해 대량으로 생산할 수 있을 뿐 아니라, 가격이 기존 백금 촉매의 10분의 1 수준으로 저렴하다는 장점이 있다.
김 교수는 “수계 금속-이산화탄소 시스템에 백금 대신 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하면 상용화가 한층 빨라질 것”이라면서 “이번 연구는 차세대 전극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다”고 밝혔다.
이번 연구는 영국왕립화학회가 발간하는 재료 분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A'(Journal of Materials Chemistry A) 5월 29일 자 온라인에 공개됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.
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