[천지일보=김민아 기자] 물을 전기분해해 수소를 얻는 ‘수전해 기술’은 이산화탄소 등 환경오염 물질을 생성하지 않고 수소를 제조할 수 있는 청정 기술로서 각광받고 있다. 특히 산성전해질 구동 수전해 기술은 높은 활성으로 인해 최근 큰 관심을 끌고 있다. 그러나 이리듐 또는 루테늄으로 이뤄진 전극 촉매의 높은 가격과 낮은 내구성이 상용화의 걸림돌이 되어왔는데, 이를 해결할 새로운 전극 촉매를 국내연구진이 개발했다.
고려대학교(이광렬 화학과 교수), 한국기초과학지원연구원(KBSI, 오아람, 백현석 박사)과 울산과학기술원(UNIST, 주상훈 교수, 김호영 연구원) 등으로 구성된 연구팀은 백금-니켈-루테늄으로 구성된 나노입자를 합성하고, 산성전해질 수전해 반응의 전극촉매로 활용하여 세계 최고수준의 활성과 안정성을 확보하는데 성공했다.
연구진은 다중 원소로 구성된 합금 나노입자에서의 상분리 유도 기술을 통해 백금-니켈-루테늄으로 구성된 코어-이중쉘 정이십면체 나노입자를 합성했고 이중수차보정 투과전자현미경을 통해 나노입자의 구조와 조성을 명확하게 규명했다. 그리고 산처리 및 열처리를 통해 니켈과 루테늄이 도핑된 백금 코어와 백금과 니켈이 도핑된 루테늄 뼈대 껍질구조를 갖는 새로운 형태의 나노입자를 완성했다.
연구팀이 개발한 나노입자 촉매는 산성계 산소발생반응에서 기존 상용 이리듐 촉매 대비 15배가 증가한 촉매 활성도를 보였다. 또한 10시간 이상의 장기 구동에서 상용 이리듐 촉매는 40%의 초기 성능만 유지한 반면, 신규 촉매는 90% 이상의 성능을 유지해 높은 내구성을 보였다.
연구진이 개발한 촉매는 뼈대 구조를 지녀서 값비싼 귀금속 촉매의 사용량을 최소화 시킬 수 있고 높은 촉매 활성면적을 보임과 동시에 루테늄-백금-니켈 세 원소의 시너지를 극대화해 수전해 반응에서 세계 최고 수준의 활성과 내구성을 동시에 확보 할 수 있었다고 설명했다. 또한 KBSI 서울 센터가 보유하고 있는 세계최고 수준의 고공간 분해능(60pm) 투과전자현미경 분석기술을 통하여 프레임형 나노입자의 형성 원리를 규명할 수 있었다고 전했다.
이광렬 고려대 교수는 “이 기술의 상용화를 위해 촉매의 대량 생산 기술, 촉매의 안정적인 구동시간 연장 등의 추가 연구를 추진 중이다. 또한 본 연구에서 도출한 이종 원소 도핑에 의한 불안정한 금속 산화물의 촉매 활성과 안정성 증대 효과에 관한 아이디어를 다양한 에너지/환경 기술관련 촉매 시스템에 적용하여 현재 급속히 나빠지고 있는 환경 문제 해결에 일조하고 싶다”고 포부를 밝혔다. 주상훈 UNIST 교수는 “향후 본 연구를 통해 개발한 새로운 촉매의 촉매 활성 및 안정성 증진 근본 원리를 규명하는 연구를 진행할 계획” 이라고 밝혔다.
해당 연구결과는 한국연구재단의 중견연구 사업 및 KBSI의 자체사업을 통하여 도출됐으며, 나노·화학·재료과학기술 분야의 권위지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 10월 26일자 온라인판에 ‘Topotactic Transformations in an Icosahedral Nanocrystal to Form Efficient Water‐Splitting Catalysts’라는 제목으로 게재됐다.