포스텍, 저온 공정으로 수소 생산 효율 6배 높였다

작성일 07-29

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 수소를 나타내는 이미지. 게티이미지뱅크 제공
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 국내 연구진이 800℃ 고온의 공정 환경 대신 300℃만으로도 수소 생산 효율을 6배 높인 혁신 기술을 개발했다. 
 포스텍은 김용태 신소재공학과·친환경소재대학원 교수, 정상문 소재공학과·친환경소재대학원 박사후연구원 연구팀, 김영광 신소재공학과 박사후연구원과 손준우 서울대 신소재공학과 교수 연구팀이 비교적 저온에서 수소 생산 효율을 6배 높이는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구결과는 지난 17일 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 표지로 선정됐다. 
 전기로 물을 분해해 수소를 만들면 수소를 저장해 두었다가 필요할 때 다시 전기로 바꿔 쓸 수 있다. 수소는 '전기 저장 탱크' 역할을 하는 셈이다.
 수소를 이용할 때 산소를 만드는 과정이 쉽지 않다. 물을 전기 분해해 수소를 얻으려면 양극과 음극에서 각각 반응이 일어나야 한다. 음극에서는 수소가, 양극에서는 산소가 발생해야 한다.
 전기 분해를 계속하려면 음극과 양극 반응이 동시에 진행돼야 한다. 수소만 생산하려고 해도 산소 발생 반응이 필요한 것이다. 
 산소를 만드는 과정(OER, Oxygen Evolution Reaction)은 속도가 느리고 전력 소모가 많아 전체 효율을 떨어뜨린다. 연구자들은 루테늄·이리듐·니켈-철 산화물 같은 촉매를 개발해 OER을 더 빠르고 효율적으로 만들고 있다.
 연구팀은 '페로브스카이트' 구조를 가진 물질에 주목했다. 페로브스카이트는 구조가 안정하고 성분 조절이 쉬워 촉매로 주목받지만 입자의 크기가 100나노미터(nm, 10억분의 1미터) 이상으로 커 반응성이 떨어진다. 연구팀은 '엑솔루션(Exsolution)' 현상을 활용했다. 페로브스카이트 내부에 숨어있던 금속 이온이 표면으로 자발적으로 나와 나노 입자를 형성하는 현상이다. 
 기존에는 엑솔루션 과정에 800℃ 이상의 고온과 수 시간의 열처리가 필요했다. 연구팀은 '비드 밀링(Bead milling)'이라는 공정을 이용해 300℃의 저온에서도 같은 효과를 내는 데 성공했다.
 비드 밀링은 작은 구슬(비드)과 함께 물질을 회전시켜 물리적 충격을 가하는 기술이다. 세탁기에서 빨래와 세탁볼이 부딪히며 때를 빼내는 것처럼 이 과정을 통해 페로브스카이트 입자를 50nm 이하로 잘게 부수면서 결정 구조를 느슨하게 만든다. 그러면 내부 금속들이 표면으로 훨씬 쉽게 이동할 수 있게 된다.
 이렇게 개발된 새로운 촉매는 기존 페로브스카이트 촉매보다 산소 발생 반응 활성을 약 6배 높였다. 특히 공정 온도를 300℃로 낮춰 에너지 비용을 크게 절약했다. 대량생산 시 경제성을 크게 높일 수 있는 핵심 요소다.
 김용태 교수는 “연구는 고성능·저비용 수전해 촉매 개발의 중요한 전환점을 마련했다"라며, ”나노 수준에서의 정밀한 구조 제어 기술이 수전해 시스템 효율 향상의 핵심 열쇠가 될 것이다"고 전망했다.
 &lt;참고자료&gt;
 -https://doi.org/10.1002/adfm.202506227
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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