백종범 교수팀 수소 얻는 백금 대체용 ‘Ru@C₂N’ 촉매 개발

국내 연구진이 열처리기술을 활용하여 물을 전기분해해 수소를 얻을 수 있는 가장 경제적인 촉매를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수가 이끄는 연구진이 물 분해 과정에서 비싼 백금 촉매를 대체할 수 있는 루테늄(Ru) 기반의 친환경 화합물 'Ru@C₂N' 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

이 물질은 나노과학 분야 세계 최고 권위지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 13일(현지시간) 등재됐다.

연구진에 따르면 이 물질은 최고의 촉매로 알려진 백금과 비슷한 성능을 내면서 가격은 4% 수준으로 저렴하다. 물의 산도(pH)에도 영향 받지 않아 촉매로 쓰기에 적절하다.

물을 원료로 수소를 얻는 기술이 상업적 경쟁력을 가지려면 좋은 촉매가 필요하다. 이때 물 분해 촉매는 수소변환효율이 높고, 내구성이 우수해야 한다. 또 낮은 전압에서 작동하고, 가격면에서 경쟁력을 갖춰야 한다. 특히 전기화학적으로 구동되는 물 분해 촉매는 산도(pH)에 영향을 받지 않고 낮은 전압에서 수소를 발생시키는 게 필수다.

그러나 현재 수소 발생 반응에 사용되는 백금 촉매는 고가의 귀금속이라 가격대비 수소 양산에 어려움이 있었다.

또 염기성에서는 안정성이 낮다는 문제점도 있다. 이런 문제를 해결하기 등장한 값싼 비귀금속 촉매들은 산성에서 부식되거나, 높은 전압에서 작동해 비용과 생산성 부분에서 한계가 있었다.

백종범 교수팀이 개발한 Ru@C₂N은 물 분해촉매의 상업적 경쟁력 4가지를 모두 만족하는 고성능의 물질이다.

이 물질은 백금처럼 수소전환효율(turnover frequency, TOF)이 높고, 물을 전기분해할 때 필요한 전압(과전압)이 낮아도 구동된다. 또 물의 산도(pH)에 영향 받지 않아 어떤 환경에서도 사용할 수 있다는 장점이 있다.

Ru@C₂N 합성 공정은 단순하다. 백 교수팀은 다공성 2차원 유기구조체인 C₂N을 구성하는 단량체와 루테늄 염(RuCl)을 단순히 섞었다. 그런 다음 환원 및 열처리하면 Ru@C₂N 촉매가 생성된다.

연구진은 같은 방법으로 코발트(Co), 니켈(Ni), 납(Pb), 백금(Pt)도 제조해 M@C₂N(M=Co, Ni, Pb, Pt) 촉매도 만들었다.

각각 촉매의 수소발생효율을 비교한 결과 Ru@C₂N 촉매가 가장 낮은 과전압에서 가장 높은 성능을 보였다. 또 촉매 활성도도 다른 촉매보다 뛰어났다.

백종범 교수는 “이번 연구는 재료과학 기술 분야에 새로운 방향을 제시할 뿐 아니라 기초부터 응용까지 광범위한 가능성을 제시한다”며 “이 물질은 학문과 과학기술의 잠재적 가치 덕분에 많은 분야에서 곧바로 주목받을 것”이라고 말했다.

이번 논문의 제1저자는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) 박사와 펭 리(Feng Li) 박사다. 교신 저자는 백종범 교수와 정후영 UNIST 연구지원본부 교수, 박노정 UNIST 자연과학부 교수다.