에탄올로 수소·아세트산염 동시 생산…한양대·건국대 연구팀 촉매 개발

(서울=뉴스1) 한민아 기자 = 한양대학교와 건국대학교 공동연구팀이 물 전기분해 과정에서 에탄올을 함께 활용해 수소와 고부가가치 화학물질인 아세트산염을 동시에 생산하는 전극 촉매를 개발했다. 기존 수전해보다 낮은 전압에서 작동해 수소 생산의 에너지 부담을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

한양대 신소재공학부 한혁수 교수 연구팀과 건국대 화학공학부 김기출 교수 연구팀은 하이브리드 수전해용 전극 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

수전해는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술이다. 기존 수전해에서는 양극에서 산소를 만드는 반응이 느려 많은 전기에너지가 필요하다.

연구팀은 이 산소 발생 반응 대신 에탄올 산화 반응을 적용했다. 음극에서는 수소를 생산하고, 양극에서는 에탄올을 아세트산염으로 전환하는 방식이다. 수소 생산과 화학물질 생산을 함께 하면서 필요한 전압도 낮출 수 있다.

다만 에탄올이 이산화탄소로 완전히 산화되지 않고 아세트산염으로 선택적으로 전환되도록 하면서, 양극의 가혹한 반응 환경에서도 안정적으로 작동하는 촉매를 만드는 것이 과제였다.

연구팀은 산화구리 나노와이어 지지체 위에 니켈·코발트·알루미늄 수산화물을 결합한 뒤 알루미늄 일부를 선택적으로 녹여냈다. 이 과정에서 형성된 촉매 표면의 결함이 반응 장벽을 낮추고 아세트산염 생성 경로를 유도한다는 설명이다.

개발된 촉매는 전류밀도 100mA/㎠ 조건에서 기존 산소 발생 반응보다 필요한 전위를 278mV 낮췄고, 45시간 이상 안정적으로 작동했다. 실제 하이브리드 수전해 시스템에 적용했을 때 셀 전압은 기존 수전해의 1.66V에서 1.58V로 낮아졌다.

수소와 아세트산염의 패러데이 효율은 각각 최대 98.5%, 91.2%를 기록했다. 패러데이 효율은 투입한 전하 가운데 실제 목표 생성물 생산에 사용된 비율을 뜻한다.

한혁수 교수는 "금속 용출로 형성된 결함 간 상호작용을 활용해 원하는 반응 경로를 선택적으로 제어할 수 있는 촉매 설계 원리를 제시했다는 데 의미가 있다"며 "고효율 수소 생산은 물론 바이오매스 유래 물질을 고부가가치 화학 원료로 전환하는 친환경 하이브리드 수전해 기술 개발에도 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 기술 분야 국제학술지 '카본 에너지'(Carbon Energy)에 지난 11일 온라인 게재됐다.

lina@news1.kr