그린 수소 생산을 위한 수전해 산소발생 전극 촉매 개발

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 기대하고 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 바라오고 있었다.

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 밝혔다.

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