이산화탄소 없애고 전기·수소 생산, UNIST 새 촉매 개발

김건태·백종범 교수팀, 탄산수에서 잘 작동하는 촉매 개발

백금촉매보다 10배 저렴하고 내구성 높아…'JMC A' 표지논문

왼쪽부터 공동교신저자 마흐무드 연구교수, 제1저자 김정원 연구원, 교신저자 김건태 교수

[울산=뉴시스]구미현 기자 = 국내 연구진이 온실가스인 이산화탄소를 없애는 동시에 전기와 수소를 생산할 수 있는 촉매를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 김건태·백종범 교수팀이 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.

이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 '수계 금속(아연)-이산화탄소(Aqueous Zn-CO₂) 시스템'에 이 촉매를 적용하면 수소를 쉽고 빠르게 얻을 수 있다. 이산화탄소가 녹아 있는 탄산 환경에서도 잘 작동할뿐만 아니라 저렴한 재료를 이용해 간단한 공정으로 합성 가능해 상용화 가능성도 높다

수계 금속-이산화탄소 시스템은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 수소와 전기를 생산하는 것이다. 앞서 김건태 교수 연구팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 현상에 착안해 수계 금속-이산화탄소 시스템 개발했다. 이 시스템에서는 이산화탄소가 물에 녹아 생기는 수소이온이 전기화학적 반응을 통해 환원돼 수소가 만들어진다.

이때 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 포화된 환경에서 수소 발생 활성도가 낮다는 단점이 있었다.
 
김건태·백종범 교수 공동연구팀은 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었다.

루테늄 금속과 다공성 탄소 지지체가 결합된 '루테늄 탄소 복합 촉매(CF-Ru@PSC)'는 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 백금 촉매만큼 우수한 수소 발생 반응 활성도와 1000시간의 구동에도 높은 안정성을 보였다.

루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도

이번에 개발된 촉매는 제조 공정도 간단해 대량생산이 가능할뿐더러 저렴한 루테늄 금속과 탄소 원료를 사용해 가격이 기존 백금촉매의 10분의 1 수준으로 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 설명했다.

이번 연구에는 UNIST 자비드 마흐무드 연구교수와 포스텍의 한정우 교수가 각각 공동교신저자, 공동저자로 참여했다.  재료 분야 국제학술지 '저널 오브 머티어리얼스 케미스트리A'에 지난달 29일자로 온라인 공개됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]