고려대학교 (총장 김동원) 화학과 이광렬 교수 연구팀이 KIST·KAIST와의 공동 연구를 통해 그린 수소 경제를 앞당길 비 귀금속 기반의 나노 촉매를 개발했다.

연구 결과는 지난 8일 재료과학 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐다.

수소는 친환경적이고 지속 가능한 에너지원으로 주목받고 있지만, 이를 생산하는 전기화학적 수소 발생 반응(HER)은 여러 한계를 가지고 있다. 특히 중성 pH 조건의 전해질의 경우, 이온 농도가 낮고 반응 물질이 촉매 표면에 잘 흡착되지 않아 전기화학 반응 속도가 느려지고 최종적으로는 수소 생산이 저해되는 문제가 있다.

기존 촉매들은 이를 극복하기 위해 귀금속 기반으로 제작됐다. 그러나 귀금속 기반 촉매는 높은 비용과 내구성의 한계로 상용화가 어렵다는 단점이 존재한다.

이에 연구팀은 ‘양이온 치환 반응’이라는 합성법을 활용해 크롬 산화물(CrOx)과 코발트 황화물(Co9S8)을 결합한 비 귀금속 기반의 이종 구조 나노 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 크롬 산화물이 원자 또는 분자가 모여 형성되는 작은 구조체인 클러스터의 형태로 코발트 황화물에 결합한다. 이로 인해 크롬 산화물과 코발트 황화물이 맞닿는 계면이 극대화된 구조를 갖는다. 이로써 두 물질 간의 시너지 효과가 일어나, 기존 촉매보다 훨씬 높은 수소 생산 효율이 나타났다.

촉매는 성능 평가 결과 표면에서 물 분자를 효과적으로 흡착하고 분해했다. 또 반응 중간체의 이동을 촉진해 수소 생산 효율을 크게 높였다. 특히 중성 pH 환경에서도 낮은 과전압(37 mV)과 작은 타펠 기울기(49 mV/dec-1)를 기록해 HER에 대해 상용 백금 촉매를 능가하는 우수한 전기화학 성능 및 빠른 반응 속도를 입증했다. 또 60시간 이상 안정적으로 작동하며 높은 내구성을 보였다.

연구진은 해당 촉매를 바닷물과 같은 자연 자원을 활용한 해수 전해 실험에도 가능함을 증명했다. 특히, 중성 pH에서의 성능 뿐만 아니라 모사 바닷물과 실제 해수 환경에서도 상용 백금 촉매와 유사한 수준의 우수한 HER 활성을 보여줬다. 이러한 결과는 개발된 촉매가 중성 pH의 전해질은 물론 해수 환경에서도 실질적인 수소 생산 응용에 유용함을 나타낸다.

이광렬 교수는 “중성 조건에서 효과적으로 작동하는 비귀금속 기반 촉매는 기존 귀금속 촉매에 비해 경제성이 매우 높다”며 “이번 연구는 비귀금속 기반 고효율 나노촉매의 새로운 가능성을 열었다는 점에서 큰 의의가 있으며 이를 통해 수소 생산 공정의 효율성을 높이고 그린 수소 기술 상용화에 한 걸음 더 가까워질 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이 연구는 리더연구사업, 대학중점연구소지원사업, 기초과학연구원 연구단사업, 미래수소원천기술개발사업, 산업통상자원부 에너지기술개발사업, 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.