왼쪽부터 교신저자 성균관대 기계공학부 정형모 교수, 경북대 신소재공학과 이지훈 교수, 주저자 성균관대 기계공학부 권순형 연구원(사진=성균관대)
수소는 차세대 친환경 에너지원으로 꼽힌다. 연소 후 유독성 기체를 배출하지 않으면서도 높은 에너지 효율을 보여서다.
이 때문에 수전해(물 분해) 기술은 탄소중립 실현을 위한 꿈의 기술로 불린다. 하지만 물을 분해한 뒤 수소를 얻는 과정에서 반응 속도가 매우 느리다는 한계가 있었다. 수소 생산 효율을 떨어뜨리는 ‘병목 현상’이 문제가 되는 셈이다.
그간 이 문제를 해결하기 위해 이리듐(Ir)이나 루테늄(Ru) 같은 고가의 귀금속 촉매를 사용해야 했다. 이는 수소 생산 비용을 높이는 원인이 됐다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘하향식 소재 설계 기술’을 적용했다. 연구팀은 이어 전기화학적 방법을 통해 기존의 덩어리 형태 코발트 산화물을 2나노미터(nm) 이하의 미세한 나노 클러스터로 쪼개는 데 성공했다. 이 과정에서 코발트 금속과 산소 원자 사이의 결합 길이를 기존보다 약 0.1 옹스트롬(Å, 100억 분의 1미터) 수축시켜 미세하게 조절했다. 포항가속기연구소의 고성능 분석 결과 약 2.03 Å의 원자 결합 길이가 새로운 반응 경로를 유도하는 최적 조건임을 세계 최초로 규명한 것이다.
이 기술의 핵심은 금속과 산소 사이의 결합을 강하게 만들어, 촉매 내부 구조에 숨어있던 ‘격자 산소’를 반응에 직접 참여시킨 점에 있다. 이를 통해 개발된 나노 촉매는 고가의 상용 이리듐 촉매보다 더 낮은 에너지에서도 탁월한 성능을 발휘했다. 특히 실제 시스템 적용 시 고전류 조건에서 100시간 이상 성능 저하 없이 구동되는 강력한 내구성을 증명했으며, 차세대 에너지 저장 장치인 아연·공기 전지에서도 우수한 충전 안정성을 입증했다.
정형모 교수는 “이번 연구는 원자 단위의 결합 거리를 미세하게 제어함으로써 촉매 반응의 경로 자체를 완전히 바꿀 수 있음을 실증한 성과”라며 “값비싼 귀금속을 대체해 고효율 그린 수소를 생산하는 것은 물론 향후 다양한 차세대 친환경 에너지 장치의 상용화를 앞당기는 중요한 기준이 될 것”이라고 했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 받아 수행했다. 연구 결과는 환경에너지분야 저명 국제학술지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)에 게재됐다.
