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- KIST개발 원소 제어 맥신,수전해 촉매 담지체 응용 가능

몰리브데넘 맥신을 활용한 촉매가 전사되어 있는 전극을 통해 수소 생산 장치에 적용하여 실험하고 있는 모습.수소 생산 장치를 구성하는 핵심 물품 중 하나인 음극 소자를 들고 있다.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 수소는 에너지원으로 활용될 때 물과 산소만을 배출하므로 친환경적인 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.수소 생산 방식은 사용 에너지원과 탄소 배출 유무에 따라 그레이 수소,블루 수소,그린 수소로 나뉜다.그 중 그린 수소 생산 방법은 친환경 에너지를 사용해 물을 전기 분해하여 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 가장 친환경적인 방법이다.

한국과학기술연구원(KIST) 전자파솔루션융합연구단 이성수 박사 연구팀은 전자파 차폐 및 흡수 특성을 가진 산화 안정형 몰리브데넘계 맥신을 개발했다고 밝혔다.산화 반응에 대해 안정성을 가지고 있어 이를 수전해 촉매의 담지체로 응용할 경우,그린 수소 생산의 산소 발생 전극으로 활용해 그린 수소 생산 비용을 절감시킬 수 있다.

물을 수소 분자와 산소 분자로 분해하려면 많은 에너지가 필요하다.에너지를 줄이기 위해 촉매가 사용되며,나노 단위의 작은 입자들로 이루어진 촉매가 작을수록 표면적이 넓어져 반응이 잘 일어난다.하지만 시간이 지나면서 작은 촉매 입자들이 뭉치는 현상이 발생해 표면적이 줄어들고 수소 생산 효율이 떨어진다.이를 방지하기 위해 촉매와 지지체를 함께 사용하는데 수소가 생성되는 양극에 주로 사용되는 탄소가 있지만,fifa u-20 월드컵 코리아 2017 05월28일 일정음극에서는 산화 반응으로 탄소가 사용되면 이산화탄소로 산화되어 내산화성이 높은 지지체가 필요하다.

이때 지지체로 사용될 수 있는 물질이 바로 맥신이다.맥신은 Ti,Mo,fifa u-20 월드컵 코리아 2017 05월28일 일정Hf,Ta 등의 금속 원자와 탄소 또는 질소 원자로 이루어진 나노 물질로,전기가 잘 통하고 촉매 지지체로 적합한 구조를 지녀 수소 생산에 유리하다.특히 티타늄(Titanium) 기반의 맥신이 가장 많이 연구됐다.하지만 이 경우 물에 쉽게 산화된다는 티타늄의 원자적 특성으로 인해 촉매가 높은 전기전도도를 유지할 수 없다는 고질적인 단점이 있었다.이를 보완하기 위해 연구팀은 몰리브데넘을 적용한 맥신을 지지체로 사용하는 음극 촉매를 새롭게 설계했다.다른 원자를 사용하기 때문에 티타늄의 산화 안정성 취약 부분을 완전히 극복할 수 있는 시도로 주목을 받고 있다.

맥신을 지지체로 활용한 촉매 디자인 및 이를 음이온 기반 수소 발생 장치 전극 활용/실증 확인 전체 개념도.[KIST 제공]

몰리브데넘 기반의 맥신을 지지체로 활용했을 때,맥신의 표면을 구성하고 있는 몰리브데넘 원자와 촉매 코발트 사이에 강한 화학 결합이 만들어진다.이렇게 생성된 화학 결합을 통해 수소 생산 효율 또한 약 2.45배 증가했다.특히 최근 티타늄 계열의 맥신을 활용한 단위 전지 셀 내구성이 40시간이 채 되지 않았던 결과에 대비해 10배 이상의 내구성 향상 효과를 확인했다.이를 통해 그린 수소 생산 비용 절감 효과를 기대할 수 있으며,향후 대규모 수소 생산 발전소 및 대량 그린 수소 발전 스테이션 분야 활용에도 적용할 예정이다.

이성수 박사는 “맥신을 구성하는 원소를 제어해 그린 수소 생산 환경에 적합한 후보군을 찾을 수 있었고,이를 통해 산화 환경에서 안정성 있는 맥신 지지체를 확보했다”며 “향후 수소 생산 효율과 내구성을 지닌 산소 발생 전극 촉매 개발로 수소 기반 생태계 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이로멘트 에너지’최신호에 게재됐다.

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