[김종규 교수팀, 수전해 가속시키는 3차원 나노 구조 니켈 촉매 개발]

수전해(water eletrolysis) 공정은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템이다. 환경오염 물질 배출 없이 미래 에너지원인 수소 연료를 생산할 수 있는 친환경 기술이지만 수소 생산 효율이 낮고, 생산 비용이 높다는 점이 한계로 지적되어 왔다. 그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 이 두 가지 문제를 한 번에 해결한 연구를 발표해 주목을 모으고 있다.

신소재공학과 김종규 교수 · 통합과정 김재림 씨 연구팀은 김용태 교수 · 정상문 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 경사각 증착법과 니켈(Ni)로 기존 촉매의 한계를 극복하고, 경제적이면서 효율 높은 수전해 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 앞 속표지 논문(Inside front cover)으로 게재됐다.

수전해 공정에서는 백금과 같은 귀금속을 촉매로 사용해 수소를 대량 생산하려면 생산비용이 지나치게 높아진다. 또, 기존 박막 형상의 촉매를 사용하는 경우 생성된 수소 기포 중 일부가 제대로 분리되지 않고, 촉매의 활성 부위를 막거나 반응물의 이동을 방해하여 공정 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 경사각 증착법과 니켈을 선택했다. 증착 과정에서 기판을 기울이거나 회전시켜 물질의 다양한 나노 구조를 만드는 이 방법은 공정이 간단하고 저렴한 편이다. 또, 니켈은 지구상에 풍부하면서도 비교적 수소 발생 효율이 높은 비귀금속 촉매 물질 중 하나다.

연구팀은 경사각 증착법을 이용하여 수직 방향의 미세한 나노 막대 돌기 구조를 가진 니켈을 합성했다. 단순히 촉매 표면적을 넓히기 위해 나노 구조를 형성했던 기존과 달리 수소가 달라붙기 어려운 수직 방향의 나노 막대를 형성한 것이다. 실험 결과, 수전해 과정에서 발생한 수소 기포는 촉매에 달라붙지 않고 빠르게 분리되었고, 수전해 과정을 통해 안정적으로 수소를 생산했다. 효과적인 공극 채널을 갖는 연구팀의 다공성의 3차원 나노 막대 니켈 촉매 전극은 동일한 양의 니켈을 기존 박막 구조로 사용했을 때보다 수소 생산 효율이 55배가량 향상되었다.

연구를 이끈 김종규 교수는 ”그린 수소(green hydrogen)를 생산하는 수전해 공정의 효율을 높여 수소경제와 탄소중립사회에 가까워졌다”며, “수전해뿐 아니라 이산화탄소 환원이나 광 에너지 변환 시스템 등 표면 반응이 중요한 다양한 재생에너지 분야에서도 이번 연구가 큰 도움이 될 것”이라고 전했다.

한편, 이 연구는 수소에너지혁신기술개발사업, 국가간협력기반조성사업, 방사선이용미래혁신기반기술연구, 미래소재디스커버리사업 지원으로 진행됐다.