광주과학기술원(지스트) 지구환경공학부 이재영 교수와 인하대학교 화학공학과 이기영 교수 공동연구팀이 물을 전기분해해 고순도의 수소를 생산하는 비용을 대폭 낮출 수 있는 망간 기반의 새로운 촉매를 개발했다.
기존의 값비싼 귀금속 촉매를 사용하지 않고 전도성 탄소와 혼합된 망간 기반 촉매를 활용해 전기 전도도 조절을 통해 수전해 성능을 향상시켰다.
물의 전기분해는 온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 수소 생산 방법이지만 비싼 비용이 단점이다.
연구팀은 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있는 고성능 촉매 개발에 초점을 맞췄다.
이리듐·루테늄과 같은 귀금속은 산소발생 반응을 일으키기 위한 우수한 촉매로 수전해에 사용되고 있지만 가격이 비싼 문제가 있다.
따라서 가격이 저렴하고 기능이 우수한 전이금속 기반(니켈, 코발트, 철)의 수소·산소 발생 촉매의 개발이 요구되고 있다.
특히 망간 기반의 금속 산화물은 구조적인 다양성, 풍부한 매장량, 무독성 등의 특징을 지녀 수전해 촉매로 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
기존 망간 산화물은 일반적으로는 전기전도성이 낮고 특정 구조(δ-MnO2)에서만 산소발생 반응이 잘 일어난다.
특정 구조의 형성을 위해서는 산소발생 반응 중 망간 산화물의 완전한 산화가 필수적이며 이를 위해서는 충분한 전기전도성이 필요하다.
연구팀은 전기전도성 확보를 위해 흑연화된 전도성 탄소를 촉매 층에 도입해 반복적인 전기화학적 활성법으로 촉매 층의 산소발생 반응 성능을 향상시켰다.
산소발생 반응 활성이 15배 이상 증대됐다.
촉매의 상업적인 활용 가능성 판단을 위해 제3세대 음이온 교환막 수전해법에도 적용했다.
기존 촉매 대비 400% 높은 전류밀도에서 수소 생산이 가능한 것을 확인했다.
이번 연구는 최근 니켈의 가격상승 등으로 대체 전이금속 기반의 전극촉매 개발이 시급한 상황에서 저렴한 망간 산화물을 활용해 수전해 성능을 향상시킬 수 있는 촉매를 개발했다는 점에서 의미가 크다.
또 망간 산화물을 수전해 촉매로 상용화하기 위한 원천기술을 확보한 것으로 향후 친환경 수소 생산에 기여할 것으로 전망되고 있다.
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