화학과 이효영 교수 연구팀,

그린 수소 생산을 위한 고효율 고안정 금속-금속산화물

 수전해 산소발생 전극 촉매 개발

- 탄소가 없는 물 분해로 그린 수소 생산 경제에 한 걸음 더 다가가

- 화석 연료 정제 공정의 장기적인 과제 극복할 것으로 기대

- 국제학술지 네이처 커뮤니케이션 9.28(화) 온라인 게재

[그림1] 이효영 교수, 류성휘 연구원

성균관대학교(총장 신동렬)는 화학과 및 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이효영 교수 연구팀(제1저자 류성휘)이 산성 조건에서 효율이 높고 안정한 이리듐-삼산화몰리브덴(Ir-MoO3) 수전해 산소발생 전극 촉매를 개발했다고 전했다. 탄소가 없는 물 분해를 통해 그린 수소 생산 경제에 한 걸음 더 다가간 것으로, 저비용, 고효율, 안정한 전기 촉매 개발로 화석 연료 정제 공정의 장기적인 과제를 극복할 것으로 기대를 모으고 있다.

일반적인 수소 생산이 화석 연료나 이산화탄소를 필요로 하는 반면, 전기 분해는 물 분자로부터 그린 수소를 생산한다. 물은 스스로 수소와 산소로 쪼개질 수 없기 때문에 전기화학적인 수소-물 변환은 활성이 높은 전기 촉매가 필요하다. 하지만 현재 널리 활용되고 있는 알칼리성 물 전기 분해 기술은 느린 산소 발생 반응으로 인해 물 분자 쪼개짐 효율성이 낮으며, 산성 조건하에서 급격히 저하되고 안정적이지 못해 비용이 많이 든다. 따라서 이를 개선하기 위한 저비용, 고효율, 고안정 산소 발생 반응 촉매 전극 개발이 절실히 요구되어왔다.

[그림2] 전자 결핍된 이리듐-삼산화몰리브덴 (Ir-MoO3) 수전해 산소발생 반응 모식도

연구진은 산성에서 사용되는 산소 발생 전극 촉매 개발을 위해 이산화이리듐-삼산화몰리브덴을 제조하고 환원 온도 조건을 조절하여 선택적으로 이리듐만을 환원시켰다. 이때 환원된 이리듐은 표면에 산소 원자 및 동시에 삼산화몰리브덴 반도체 금속 산화물의 전자 당김으로 인해 이리듐 금속은 전자결핍이 되도록 만들었다. 전자가 부족한 이리듐에 물 분자가 쉽게 접근되어 매우 낮은 전압에서 산소가 발생될 수 있었으며, 산성 조건에서 높은 안정성으로 수소 및 산소 발생이 우수한 신개념 금속-금속산화물 촉매 전극을 보여주었다.

류성휘 연구원은 “산소 발생 반응에 필요한 과전압 측정법으로 촉매 효율 평가 결과 기존 귀금속 촉매보다 2배 이상의 수소 및 산소 발생 효율을 획득할 수 있었고, 값싼 금속산화물 양에 비해 매우 작은 양의 귀금속을 사용하기에 저비용일 뿐만 아니라 표면 구조의 변화 없이 장기적으로 안정한 시스템을 구현할 수 있었다”고 말했다.

이효영 교수는 “본 연구의 원리는 이리듐-삼산화몰리브덴(Ir-MoO3) 뿐만 아니라 다양한 금속-금속산화물(Rh-MoO3, Au-MoO3, Ru-MoO3) 시스템에도 적용된다”며 “금속 표면에 붙은 산소와 금속산화물의 전자가 끌어당기는 성질을 이용해 전자가 결핍된 금속-반도체 금속산화물을 설계하여 촉매 성능과 안정성이 뛰어난 전극 촉매를 개발할 수 있었다”고 전했다.

본 연구는 세계적으로 권위 있는 과학 분야 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature communications, Impact Factor=14.919)에 9.28(화) 온라인 게재되었다.