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UNIST, 흡착·탈착 에너지 조절로 고효율 수소 촉매 개발

입력 2019.09.23. 13:48 댓글 0개
이리듐 귀금속 촉매에 값싼 탄소·질소 섞어...가격 경쟁력↑
【울산=뉴시스】 박수지 기자 = UNIST 백종범 교수(좌)와 펑리 박사

【울산=뉴시스】박수지 기자 = 귀금속 물질을 소량만 사용해도 차세대 에너지인 수소를 생산할 수 있는 고효율 촉매가 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 중국 연구진과 공동으로 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성했다고 23일 밝혔다.

물을 전기로 분해해 수소를 얻는 반응에는 '촉매'가 필요하다. 기존에는 효율이 좋은 백금 등 귀금속을 썼지만, 가격이 비싸 상용화에 어려움이 있었다.

물에 전압을 가하면 수소 발생 반응이 일어나게 되는데, 이때 촉매는 두 조건을 맞춰야 한다.

물속에 있는 수소 원자가 촉매에 잘 흡착해야 하고, 수소원자가 모여 분자가 되면 촉매표면에서 잘 떨어져야(탈착) 한다.

하지만 일반적으로 수소발생 촉매의 수소 흡착(adsorption)과 탈착(desorption) 성질은 서로 반비례하기 때문에 두 반응 사이에 적절한 조율, 즉 '밀당'이 중요하다.

이에 연구진은 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인 할 수 있는 '범밀도함수 이론'을 활용한 계산을 통해, 질소와 탄소로 이리듐의 흡착·탈착 에너지를 조절하는 방법을 고안했다.

이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히지만, 수소발생 반응을 위한 수소 원자를 흡착하는 부분에 어려움이 있었다. 수소 원자가 이리듐 표면에 붙는 데 필요한 에너지가 높기 때문이다.

이번 연구에서는 이리듐의 흡착 에너지를 낮추는 데 '질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질(Orbital) 을 조절'하는 방법을 제안했다.

이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질이 큰 질소와 탄소를 적절히 배치해 수소 원자를 당기는 힘을 키워준 것이다.

이렇게 만들어진 촉매는 산성(acid) 환경에서도 백금 촉매(Pt/C)와 순수한 이리듐(Ir) 나노입자보다 훨씬 뛰어났다.

특히 백금보다 낮은 과전압(overpotential)에서 수소발생 반응이 일어났는데, 이는 촉매의 수명이 더 길다는 뜻이다.

또 열분석장비로 살펴본 결과 귀금속인 이리듐 함량도 7% 정도로 확인됐다. 이리듐 역시 귀금속이지만 소량만 사용하면서 값싼 탄소와 질소와 섞어 고효율 촉매를 만들어낸 것이다.

백종범 교수는 "질소나 탄소에 비해 상대적으로 가격이 고가인 이리듐을 아주 소량만 사용해 고효율 촉매 개발에 성공했다"며 "상용화될 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 9월 6일자로 게재됐다.

【울산=뉴시스】 박수지 기자 = 수소발생반응의 반응 원리를 보여주는 모식도

parksj@newsis.com <저작권자ⓒ 공감언론 뉴시스통신사. 무단전재-재배포 금지.>

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