[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 다공성 금속 기반 신개념 그린수소 촉매를 개발했다.
한국연구재단은 포항공과대학교 박선아 교수, 충남대학교 신혜영 교수 연구팀이 금속유기구조체에 철을 원자 단위 비율로 개질해 물 산화 반응의 성능을 크게 높이고 실시간 라만 분광법을 통해 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.
수전해(水電解)는 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용해 물을 전기분해하고 이 과정에서 그린수소를 추출하는 기술이다.
여러 수전해 방법 중에서도 기술 성숙도가 가장 높은 알칼라인 수전해는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 한다.
수소 생산단가가 저렴한 장점이 있지만 전기분해 시 물 산화 반응에서 높은 과전압이 필요해 고성능 촉매 개발이 요구된다.
현재까지 연구된 일반적인 산화물 촉매의 경우, 금속 산화물 구조 내의 균일도를 원자 단위로 조절하기 어려워 물 산화 활성 원인을 규명하기 어렵고 안정성에 한계가 있었다.
연구팀은 금속유기구조체(MOF)에 다양한 금속 원자를 촉매에 도입하는 방법으로 물 산화 활성에 접근했다.
금속과 유기물이 규칙적인 기공 구조가 반복되는 MOF의 결정 구조를 활용, 다른 금속 활성화 자리를 구획화된 구조에 도입한 것이다.
이렇게 원자 단위의 설계를 통해 이성분계 MOF를 합성했으며, 특히 니켈, 철 기반 기반의 MOF에서는 물 산화 반응에 필요한 과전압을 크게 저감해 기존 금속 산화물에 버금가는 성능을 확보했다.
해당 결과를 실시간 라만 분광법 및 밀도 범함수 이론을 통해 촉매 활성 원인을 이론적으로 증명했다.
박선아 교수는 “MOF를 합성해 안정적이고 효율적인 전기화학 촉매를 개발하고, 촉매의 향상된 성능을 화학적으로 규명해 다른 전기화학 촉매 설계에도 기여할 수 있다”며 “기존 산화물 기반 촉매에서 복잡하게 해석되었던 이성분 시스템에 대한 해석을 단순하고 명확하게 제시했다는 점에서도 도움이 될 것”이라고 말했다.
