변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도(IBS 제공) ©뉴스1

국내 연구진이 단일금속원자를 다량 탑재해 요소 산화 반응을 앞당길 고성능 촉매를 개발했다.

이는 물 분해 방식보다 낮은 전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린 수소 생산에 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다. 특히, 요소가 풍부한 폐수를 이용해 수소를 생산하면 그린 수소 생산뿐만 아니라 수질 오염 문제해결에도 이용될 것으로 기대된다.

14일 기초과학연구원(IBS) 이효영 부연구단장 연구진에 따르면 최근 요소 산화 반응의 속도를 높이는 촉매로 단일 원자 촉매에 대한 연구가 활발하다.

하지만, 쉽게 이동해 응집되는 경향으로 많은 양의 단일 원자들을 탑재할 수 없는 문제가 있었다. 이에 연구진은 단일 금속 원자의 초고중량 탑재 및 안정화를 위해 새로운 표면 변형 전략 방법을 개발했다.

액체 질소 담금질 방법을 사용해 산화 코발트(Co₃O₄)표면에 변형을 생성했다.

그 결과, 급하게 냉각된 산화물 지지체 표면은 열팽창으로 인해 변형이 발생하고, 이런 표면에 로듐 단일 원자를 기존 중량대비 2배 더 많이 올려 안정화했다.

변형된 표면이 기존 표면에 비해 로듐의 이동 에너지 장벽을 크게 증가시켜 이동 및 응집을 억제할 수 있다는 것을 발견한 것이다.

요소 전기 분해를 통한 수소 생산 전기셀(IBS 제공) ©뉴스1

연구진은 로듐뿐만 아니라 백금, 이리듐 및 루테늄 기반 단일 원자들도 변형된 표면에서 고중량 탑재가 가능하다는 것을 확인했다.

요소 산화 반응에 필요한 작동 전압으로 촉매 효율 평가 결과 상용화전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생되고 구조의 변화 없이 100시간 동안 장기간 안정성을 보였다.

특히, 높은 전압으로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방법에 비해 약 16%의 에너지를 절약할 수 있다.

이효영 부연구단장은 “단일 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 고중량 탑재 및 안정화를 해결했다”며 “고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방식으로 생산이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학’ 9월30일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr