한국기초과학지원연, 친환경 수소연료 생산 나노입자 촉매 개발

백금-니켈-루테늄 합성, 기존 촉매보다 활성도 15배 높아

▲환경오염 없이 수소연료를 생산할 수 있는 고성능 나노입자 촉매 ⓒ한국기초과학지원연구원

환경오염 없이 수소연료를 생산할 수 있는 고성능 나노입자 촉매가 개발됐다.

이 새로운 촉매는 백금-니켈-루테늄을 사용해 합성한 물질로 기존 이리듐-백금 촉매보다 15배 높은 촉매 활성도를 가지며, 10시간 이상 장기 구동에서도 90% 이상의 성능을 유지해 이리듐-백금 촉매의 40%를 훨씬 앞섰다.

한국기초과학지원연구원(이하 KBSI) 오아람·백현석 박사팀은 고려대 이광렬 교수팀 및 울산과학기술원(이하 UNIST) 주상훈 교수팀과 공동연구를 통해 물을 분해해 수소를 생산하는 과정의 효율을 높이는 새로운 고성능 전극(電極) 촉매를 개발했다.

차세대 에너지원으로 각광받는 수소연료는 물의 전기 분해를 통해 친환경적으로 제조할 수 있는데, 생산 효율을 높이기 위해 투입되는 전극 촉매의 높은 가격과 낮은 내구성을 극복해야 한다.

고려대 연구팀은 촉매의 합성을, UNIST 연구팀은 전기화학실험을 통해 촉매의 특성을 파악하는 역할을 맡았다.

KBSI 연구팀은 고려대 연구팀과 함께 촉매를 합성하는 한편, 나노입자의 구조를 분석해 촉매의 특성에 대한 구조적 원인을 밝혔다.

구조 분석에 활용된 KBSI 서울센터의 이중수차보정 투과전자현미경은 60 pm(피코미터)의 세계 최고수준의 공간 분해능을 지닌 장비로, 합성된 나노입자의 구조와 성분비를 효율적으로 분석할 수 있게 해줬다. 피코미터(picometer)는 1조 분의 1 미터(10-12m) 이다.

KBSI 백현석 박사는 “ 전자현미경의 공간분해능을 지속적으로 개선하는 분석력을 확보해 향후 단일 원자의 나노 입자내 위치를 확인하고 복잡한 구조의 나노입자의 형성 메커니즘을 규명하는 일에 매진할 계획“이라고 밝혔다.

고려대 이광렬 교수는 “이번 기술개발에 이어 촉매의 대량생산기술, 촉매의 안정적인 구동시간 연장 등에 대한 추가연구와 향후 에너지 환경기술 관련 촉매시스템 적용을 통해 환경문제 해결에도 일조하고 싶다”고 말했다.

UNIST 주상훈 교수는“새로운 촉매의 활성과 안정성 향상의 원리를 규명하는 연구를 계속 진행할 예정”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 나노/화학/재료과학기술 분야의 우수저널인 어드밴스드 머테리얼즈(Advanced Mateirals)지 온라인판에 지난 10월26일 게재됐다.