성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 정형모 교수 연구팀이 경북대학교 이지훈 교수 연구팀과 공동으로 물 분해 수소 생산 효율을 높일 수 있는 차세대 비귀금속 촉매 원천기술을 개발했다.

25일 성균관대에 뜨르면 연구팀은 원자 간 결합 거리를 정밀하게 조절해 소재 내부의 ‘격자 산소’를 반응에 직접 참여시키는 방식의 고효율 물 분해 촉매를 구현했다.

물 분해 기반 수전해 기술은 온실가스 배출 없이 수소를 생산할 수 있어 대표적인 탄소중립 기술로 꼽힌다. 하지만 산소 발생 반응 속도가 느려 전체 수소 생산 효율을 떨어뜨리는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 기존에는 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 고가 귀금속 촉매가 주로 사용됐다.

연구팀은 전기화학적 공정을 활용해 코발트 산화물을 2나노미터(nm) 이하 크기의 나노 클러스터로 분해하는 ‘하향식(Top-down) 소재 설계 기술’을 적용했다. 이 과정에서 코발트와 산소 원자 사이 결합 길이를 기존보다 약 0.1옹스트롬(Å) 줄이는 데 성공했다.

포항가속기연구소(PAL) 분석 결과, 약 2.03Å 수준의 결합 길이에서 새로운 반응 경로가 활성화되는 최적 조건이 형성된다는 사실도 확인했다.

이번 기술의 핵심은 촉매 내부에 존재하던 격자 산소를 실제 반응 과정에 참여시켰다는 점이다. 연구팀은 이를 통해 고가의 상용 이리듐 촉매보다 낮은 에너지에서도 우수한 성능을 구현했다고 설명했다.

또 실제 시스템 환경에서 고전류 조건으로 100시간 이상 성능 저하 없이 안정적으로 작동했으며, 차세대 에너지 저장장치인 아연-공기전지에서도 높은 충전 안정성을 보였다고 덧붙였다.

정 교수는 “원자 단위 결합 거리를 미세하게 조절해 촉매 반응 경로 자체를 바꿀 수 있음을 실증한 연구”라며 “비싼 귀금속을 대체하는 고효율 그린수소 생산 기술은 물론 다양한 친환경 에너지 장치 상용화에도 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 환경·에너지 분야 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’에 게재됐다.