[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 한국연구재단은 경북대 화학과 최상일·GIST 신소재공학부 최창혁·강원대 화학생물공학부 임형규 교수 공동 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 과정에 대한 이론적 원리를 규명했다고 12일 밝혔다.

연구결과(논문명 "Theoretical and Experimental Understanding of Hydrogen Evolution Reaction Kinetics in Alkaline Electrolytes with Pt-Based Core-Shell Nanocrystals")는 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 지난달 17일 게재됐다.

연구진에 따르면 수전해(水電解·water electrolysis)는 수소와 산소의 반응으로 물과 전기를 생산하는 연료전지와 반대되는 개념으로 물에서 수소를 생산하는 기술이다. 이처럼 차세대 청정에너지 가운데 하나로 꼽히는 수소를 얻을 수 있는 기술인 만큼 수전해의 실용화를 위한 연구가 활발하다.

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 왼쪽은 합성된 모델 촉매들의 전자현미경 사진. (A) 팔라듐-백금과 (D) 팔라듐 수소화물-백금 코어-쉘 모델 촉매의 저배율 전자현미경 이미지. (B, C) 팔라듐-백금과 (E, F) 팔라듐 수소화물-백금 코어-쉘 모델 촉매의 고분해능 전자현미경 (HAADF-STEM) 이미지와 원소 분포도. / 오른쪽은 팔라듐-백금 코어-쉘 모델 촉매의 염기 수전해조에서의 촉매 활성정도와 요인에 대한 모식도. 모델 촉매의 수소 생산 반응에 대한 활성 평가 결과, 팔라듐 수소화물 보다 팔라듐을 내부물질로 사용하였을 때 더 높은 성능을 보였다. 또한 물 분자와의 상호작용 정도를 고려했을 때, 기존의 ΔGH 값으로 설명되지 않았던 팔라듐-백금 코어-쉘 나노입자의 높은 성능 효과를 설명할 수 있게 됐다. 2019.11.12 kimys@newspim.com

하지만 에너지원으로 쓸 만큼 충분한 양의 수소를 얻기 위해서는 수전해의 느린 반응속도와 이에 따른 높은 전력소모를 개선하는 것이 숙제로 남아 있다.

이와 관련해 물 분해를 돕는 촉매의 활성을 높이려는 연구가 활발하나, 촉매가 용액에서 작동하는 원리조차 완전히 이해하지 못하는 실정으로 새로운 촉매소재 설계에 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 마치 달걀 노른자와 흰자처럼 팔라듐 또는 팔라듐 수소화물을 백금 원자층으로 감싼 팔라듐-백금 또는 팔라듐 수소화물-백금 코어쉘(core-shell) 구조의 촉매를 고안, 백금 원자층이 두꺼워질수록 촉매의 성능이 높아지는 것을 알아냈다.

단일층부터 다섯 개 층에 이르기까지 백금원자를 정밀하게 코팅하면서 표면 백금의 원자거리가 수소생산량에 영향을 미치는 것을 알아냈다. 코어쉘 구조의 촉매를 표면 백금의 원자거리가 제어된 새로운 촉매 모델로 활용, 이를 통해 수소생산반응이 백금의 원자거리에 영향을 받는 것을 알아낸 것이다.

또한 내부의 팔라듐으로 인해 표면 백금의 전자구조가 변경, 수소 생산 반응에 영향을 미치는 것도 확인할 수 있었다. 팔라듐 수소화물보다 팔라듐을 코어로 사용하였을 때 더 높은 반응 성능을 나타내는 결과를 얻었다.

이번 연구는 수소 대량생산을 위한 수전해 촉매의 설계 및 제조에 대한 새로운 아이디어를 제공함으로써 고효율·저비용 수소 대량생산과 관련 연구개발에 활기를 불어 넣을 것으로 기대된다.

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