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친환경에너지, 그린수소 길을 찾다 :고성능 요소 전기분해 촉매개발

기존보다 2배 중량 탑재 가능…그린 수소 경제에 기여할 것으로 기대해

김하종 | 기사입력 2021/11/19 [01:01]

친환경에너지, 그린수소 길을 찾다 :고성능 요소 전기분해 촉매개발

기존보다 2배 중량 탑재 가능…그린 수소 경제에 기여할 것으로 기대해

김하종 | 입력 : 2021/11/19 [01:01]

 

- 간단 요약 -

1. 수소는 기후변화와 자연고갈 문제를 동시에 해결할 수 있는 친환경에너지다. 공해를 유발하지 않을 뿐만 아니라 안전성이 확보된 에너지로 인식된다.

2. 물 분해 방식보다 낮은 전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린 수소 생산에 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가받는 단일금속원자를 다량 탑재해 요소 산화 반응을 앞당길 고성능 촉매를 개발했다.

3. 앞으로 고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방법으로 생산이 가능할 것으로 기대된다.

 


 

 

지난 수십 년간 인류는 기후위기와 지구가열화 문제를 해결하기 위해 다양한 노력을 해왔다. 최근 구체적인 대책으로 내연기관차를 전기차로 대체하거나 태양광, 풍력 등 신재생에너지를 개발하기 위한 노력이 세계 곳곳에서 일어나고 있다.

 

지난 2019년 문재인 대통령은 “수소경제”로의 이행을 선언했다. 이는 수소차와 수소연료전지를 기반으로 세계 최고의 수소경제 선도국가로의 발전을 뜻한다. 지난 해에는 '수소경제위원회'를 출범하는 등 각 분야에서 수소경제를 위한 로드맵을 만드는 중이다.

 

  © PIXABAY

 

 

수소는 기후변화와 자원고갈 문제를 동시에 해결할 수 있는 친환경에너지다. 수소에너지는 공해를 발생을 막는 안정적인 에너지로 인식되고 있다. 특히, 수소차의 경우 전기차와 비교했을 때 고속충전이 가능하고 장거리 운행시 공기를 정화시키는 기능도 보유하고 있다.

 

이처럼 수소는 친환경 미래 연료로 각광받고 있다. 수소 에너지는 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 *수전해 기술로 분리해 연료전지를 통해 전기로 변환시켜 얻는 신재생에너지다.

 

*수전해란?

물(H2O)에 전기 에너지를 가해 수소(H)와 산소(O2)로 분해하는 것(H₂+ 1/2 O₂).

 

이산화탄소 배출 없이 그린수소를 생산할 수 있는 기술은 수전해(물전기분해)가 아직까지 유일하다. 하지만 매우 높은 전압을 가하지 않으면 산소 발생 반응이 느려 효율성이 낮다. 이 문제를 해결하기 위해 낮은 전압에서도 수소 생산이 가능한 암모니아 또는 요소 산화반응에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

 

최근 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단에서 희소식을 전했다. 단일금속원자를 다량 탑재해 *요소 산화 반응을 앞당길 고성능 촉매를 개발했다는 것이다. 수전해보다 낮은 전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린 수소 생산에 새로운 방향성을 제시했다. 또한 요소가 풍부한 폐수를 이용해 수소를 생산하면 그린수소 생산뿐 아니라 수질 오염 문제를 완화할 것으로 기대된다.

 

 

▲ 변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도  © IBS

 

*요소란? <尿素, 尿素,CO(NH2)2>

암모니아와 이산화탄소를 원료로 생산되는 질소 비료를 뜻한다. 요소는 발열 반응을 통해 암모니아와 이산화탄소를 합성시켜 만든다.

 

요소 산화 반응의 속도를 높이는 촉매로 보통 귀금속 기반 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 금속 촉매가 쓰인다. 하지만 매우 고가이기도 하고, 장기간 작동 시 촉매 성능 및 안정성이 좋지 않다. 이에 최근 나노 물질 기반 촉매에 비해 탁월한 활성반응을 나타내는 단일 원자 촉매에 주목하고 있다. 다만 문제가 있다면 쉽게 이동해 응집되는 경향이 있어 많은 양의 단일 원자들을 탑재할 수 없다.

 

이에 연구진은 단일 금속 원자의 초고중량 탑재 및 안정화를 위해 새로운 표면 변형 전략 방법을 개발했다. 액체 질소 담금질 방법을 사용하여 산화 코발트(Co3O4)표면에 변형을 생성했다. 급하게 냉각된 산화물 지지체 표면은 열팽창으로 인해 변형이 발생하고, 이런 표면에 로듐 단일 원자를 기존 중량 대비 2배 더 많이 올려 안정화했다. 변형된 표면이 기존 표면에 비해 로듐의 이동 에너지 장벽을 크게 증가시켜 이동 및 응집을 억제할 수 있다는 것을 발견했다.

 

나아가 연구진은 로듐뿐만 아니라 백금, 이리듐 및 루테늄 기반 단일 원자들도 변형된 표면에서 고중량 탑재가 가능하다는 사실을 발견했다. 또한 요소 산화 반응에 필요한 작동 전압으로 촉매 효율 평가 결과 상용화전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생되고 구조의 변화없이 100시간 동안 장기간 안정성을  보였다. 특히 높은 전압으로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방법에 비해 약 16%의 에너지를 절약할 수 있다.

 

 

▲ 요소 전기분해를 통해 낮은 과전압에서 그린 수소 생산 그림  © IBS

 

이효영 부연구단장은 “고효율 요소 산화 전기 촉매를 통해 단일 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 고중량 탑재 및 안정화를 해결했다.”며 고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방법으로 생산이 가능할 것으로 기대된다"라고 말했다.

 

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