지지체로 '맥신' 활용해 친환경 수소 생산한다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 맥신을 이용해 친환경적으로 수소를 생산할 방법을 제시했다.

(왼쪽부터 시계방향으로)한국과학기술연구원 전자파솔루션융합연구단의 이성수 선임연구원, 최관현 박사후 연구원, 박영상 학생연구원.(사진=한국과학기술연구원)

한국과학기술연구원(KIST)은 이성수 전자파솔루션융합연구단 박사 연구팀은 전자파 차폐·흡수 특성을 가진 산화 안정형 몰리브데넘계 맥신을 개발했다고 7일 밝혔다.

물을 수소 분자와 산소 분자로 분해하려면 많은 에너지가 필요하다. 에너지를 줄이기 위해 촉매가 사용되며, 나노 단위의 작은 입자들로 이뤄진 촉매가 작을수록 표면적이 넓어져 반응이 잘 일어난다. 하지만 시간이 지나면서 작은 촉매 입자들이 뭉치는 현상이 발생해 표면적이 줄어들고 수소 생산 효율이 떨어진다.

이를 방지하기 위해 촉매와 지지체를 함께 사용하는데 수소가 생성되는 양극에 주로 사용되는 탄소가 있지만, 음극에서는 산화 반응으로 탄소가 사용되면 이산화탄소로 산화돼 내산화성이 높은 지지체가 필요하다.

이때 지지체로 사용될 수 있는 물질이 바로 맥신이다. 맥신은 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo) 등의 금속 원자와 탄소, 질소 원자로 이뤄진 나노 물질이다. 전기가 잘 통하고 촉매 지지체로 적합한 구조를 지녀 수소 생산에 유리하다. 특히 티타늄 기반의 맥신을 널리 연구했지만 물에 쉽게 산화된다는 티타늄의 원자적 특성으로 촉매가 높은 전기전도도를 유지할 수 없었다.

연구팀은 몰리브데넘을 적용한 맥신을 지지체로 사용하는 음극 촉매를 새로 설계해 티타늄의 산화 안정성 취약 부분을 극복했다.

연구 결과, 몰리브데넘 기반의 맥신을 지지체로 활용했을 때 맥신의 표면을 구성하고 있는 몰리브데넘 원자와 촉매 코발트가 강하게 결합했다. 이렇게 생성된 화학 결합을 통해 수소 생산 효율도 약 2.45배 증가한 것으로 나타났다. 티타늄 계열의 맥신을 활용한 단위 전지 셀 내구성이 40시간이 채 되지 않았던 결과와 달리 10배 이상 내구성도 향상됐다.

이성수 박사는 “맥신을 구성하는 원소를 제어해 그린 수소 생산 환경에 적합한 후보군을 찾을 수 있었고, 산화 환경에서 안정성 있는 맥신 지지체를 확보했다”며 “수소 생산 효율과 내구성을 지닌 산소 발생 전극 촉매 개발로 수소 기반 생태계 활성화에 기여하겠다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ 최신 호에 게재됐다.