울산과학기술원(UNIST) 연구진이 수소 생산을 위한 수전해(물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 것)를 할 때 반응을 촉진하는 촉매를 개발했다.

김광수 자연과학부 교수팀은 '금속 유기물 복합체' 촉매를 개발했다고 4일 밝혔다.

수전해를 하면 수소와 산소 생산의 두 가지 반응이 동시에 일어나는데, 이때 전체 반응이 속도가 느린 산소 발생 반응에 맞춰 진행된다는 문제가 있다.

이 때문에 산소 발생 반응이 늦어질수록 수소 생산 속도도 더디게 진행된다.

연구진은 니켈과 철을 포함하는 '금속 유기 골격체'(MOF)를 이용해 개발한 촉매로 해결 방안을 제시했다.

MOF는 금속과 유기물이 마치 건축물 철근과 같은 뼈대 모양을 이루는 물질이다.

미세한 구멍(채널)이 많아 표면적이 넓고, 촉매 반응이 일어나는 금속 원자가 표면에 노출된다는 장점이 있다.

아울러 상용 촉매에 사용되는 이리듐에 비해 니켈과 철은 매장량도 많고 가격도 저렴하다.

다만 MOF는 전기전도성이 낮고 불안정하다는 단점이 있는데, 연구진은 전도성이 높고 튼튼한 그래핀(탄소 원자가 육각형 벌집 모양을 이루고 있는 물질)을 접목해 단점을 극복하고 높을 효율을 보이는 촉매를 개발했다.

개발한 촉매는 기존 산화 이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로 많은 양의 수소를 생산할 수 있다.

실제 촉매 성능을 평가한 결과 300㎷(밀리 볼트) 전압에서 단위면적 ㎠당 0.5A(암페어)의 전류 밀도를 달성했다.

이는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이다.

이 촉매는 1천 시간 이상을 작동했을 때도 내구성이 우수한 장점을 보이기도 했다.

김 교수는 "이번 연구로 산소 발생 반응의 느린 속도 문제를 개선했을 뿐 아니라, 기존 상용 촉매 가격과 안정성 문제도 동시에 해결할 수 있었다"라면서 "새로 개발한 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 에너지 분야에서 권위 있는 학술지인 '에너지와 환경과학'(Energy and Environmental Science) 5월 27일 온라인판에 실렸다.

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