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KIST 연구진,마인츠 05 선수촉매 뭉치는 것 막는 '담지체'에 '몰리브데넘계 맥신' 적용
수소 생산 효율 2.5배…산화 내구도,티타늄계열 대비 10배
(서울=뉴스1) 윤주영 기자 = 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 그린수소 생산 비용을 저감할 수 있는 수소분해 전극 후보물질을 만들었다.
7일 KIST에 따르면 이성수 전자파솔루션융합연구단 박사 팀은 수전해 촉매 담지체로 응용할 수 있는 몰리브데넘계 맥신을 개발했다.
친환경 에너지원으로 주목받는 수소는 물을 전기분해해 생성한다.양극(+)에는 음이온을 띤 산소원자가 붙고 음극(-)에는 양이온을 띤 수소원자가 붙는다.
이런 분해를 '수전해'라고 하는데 효율을 높이려면 촉매가 필요하다.문제는 시간이 지나면 작은 촉매 입자끼리 뭉쳐 반응 표면적이 줄어든다는 것이다.수소 생산 효율을 떨어뜨린다.
이를 방지하고자 촉매와 함께 전극에 적용되는 게 담지체다.
산소 원자가 붙는 음극에선 산화 반응으로 이산화탄소가 발생하는바 내산화성을 갖춘 담지체가 요구된다.이때 사용되는 물질이 '맥신'이다.맥신은 티타늄(Ti),몰리브데넘(Mo),마인츠 05 선수하프늄(Hf),탄탈럼(Ta) 등 금속 원자와 탄소 또는 질소 원자로 이뤄진 나노 물질이다.
그간 맥신 담지체는 티타늄 기반이 많이 연구됐다.하지만 이 경우 물에 쉽게 산화되는 티타늄의 원자적 특성이 발목을 잡았다.촉매가 높은 전기전도도를 유지할 수 없다는 고질적 문제가 생겼다.
산화 안정성 취약을 극복하고자 연구팀은 몰리브데넘을 적용한 맥신을 담지체로 채택했다.그리고 이에 기반한 음극 촉매를 새롭게 설계했다.이는 맥신 표면을 구성하는 몰리브데넘 원자와 촉매 코발트 간 강한 화학 결합으로 만들어졌다.
이를 수전해에 적용하자 수소 생산 효율이 약 2.45배 증가한 것이 확인됐다.또 산화 내구성 역시 기존 티타늄 계열 맥신 대비 10배 이상 오른 것이 확인됐다.최근 개발된 티타늄 계열 맥신에 기반한 전지 셀 내구성은 40시간이 채 되지 않았다.
그린 수소 생산 비용 절감 효과를 기대할 수 있게 된 것이다.
이번 연구 성과는 향후 대규모 수소 생산 발전소 및 대량 그린 수소 발전 스테이션 분야에도 활용될 예정이다.
본 연구는 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 비: 엔바이론멘트 앤 에너지" 6월호에 게재됐다.
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