귀금속 아닌 재료 촉매로 수소-산소 생산

김동완 교수팀, 코발트-황(CoS2) 기반 고성능 촉매 개발

▲ 니켈(Ni)과 인(P)으로 치환된 삼차원 구조의 코발트-황(CoS2) 기반 촉매 제조 공정
ⓒ한국연구재단

고려대학교 김동완 교수 연구팀이 귀금속이 아닌 재료를 사용해 수소와 산소를 모두 생산하는 양기능성 촉매를 개발했다.

물을 전기분해해 수소연료를 얻는 방식은 친환경적이지만 수소 생산을 위해서는 높은 과전압을 낮추기 위해 촉매를 필요로 한다. 현재 가장 잘 알려진 촉매로는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 등의 귀금속 기반 물질인데, 이들은 원료의 희소성으로 인한 고비용으로 인해 실제 대용량 수소 생산에 적용되기 힘들어 수소 생산의 산업화에 장애가 되고 있다.

또 수소가 발생하는 양극과 산소가 발생하는 음극에 각기 다른 촉매를 사용해 비효율적이어서 수소연료가 상용화를 위해서 귀금속을 사용하지 않고 양쪽 전극에서 모두 기능하는 촉매 개발이 필요하다.

연구팀은 귀금속이 아닌 코발트-황(CoS2)을 기반으로 물 전기분해시 양극과 음극에 모두 사용할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다.

코발트-황 화합물은 2차원 나노시트가 자가조립(self-assembly)된 3차원 구조다. 연구팀은 이를 니켈(Ni)과 인(P)으로 치환하여 조성에 변화를 줌으로써, 촉매의 활성도와 안정성을 크게 향상시켰다.

제조된 촉매는 수소 및 산소 발생 반응 모두 높은 활성을 보였고, 50시간 이상 측정해도 특성이 변치 않는 우수한 안정성을 나타냈다.

▲김동완 교수(왼쪽)과 송희조 박사 ⓒ한국연구재단

김동완 교수는 “이 연구는 코발트, 황 등 저가의 원료를 사용하여 손쉬운 공정을 통해 고활성 양기능성 물전기분해 촉매를 개발한 것”이라며, ”향후 이를 적용한 대용량 수소원료 생산 산업화에 기여할 것으로 기대된다“고 설명했다.

이 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials) 10월 8일 온라인으로 게재됐다.