수소에너지를 물분해로 저렴하게 생산하다

고려대학교 과학기술대 신소재화학과 박정희 교수 연구팀이 전주대 강홍석 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 물 전기분해 수소 생성 촉매인 전이금속 기반 나노 촉매를 이용하여 수소에너지를 고효율, 저비용으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
 
지구 온난화 및 급증하는 에너지 수요를 동시에 해결하는 방안으로, 다양한 신재생 에너지에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하다. 이 가운데, 수소에너지가 특히 주목을 받고 있다. 수소는 사용 시 공해 물질이 배출되지 않고 단위 무게당 가장 많은 에너지를 얻을 수 있는 에너지원이기 때문이다. 지구상에 풍부한 물을 분해하여 수소를 생산하는 물 전기분해 (electrocatalytic water splitting) 방법은 수소의 친환경적인 대량 생산이 가능하며, 전기에너지를 활용하여 효율적인 수소생산을 가능케 해 전망이 밝은 기술로 평가된다. 물 전기분해 수소 생산기술의 핵심은 수소 발생 반응이며, 이 반응에 활성이 가장 뛰어나다고 알려진 촉매는 백금으로 수소의 상용화를 위해서 반드시 값비싼 백금을 대체할 수 있는 저렴하고 우수한 활성을 갖는 촉매 소재를 개발해야 한다.

연구팀은 촉매소재로 물 전기분해에 뛰어난 활성을 갖는 몰리브덴과 바나듐의 합금인 전이금속 디칼코게나이드 나노소재를 개발했다. 전이금속 디칼코게나이드 합금은 몰리브덴과 텅스텐으로 구성된 소재가 대표적이지만,  둘은 잘 섞이지 않아 관련 연구가 활발하지 않았다.  이번 연구에서는 콜로이드 용액합성법을 이용하여 몰리브덴과 바나듐의 조성비를 조절한 합금 디칼코게나이드 소재로 합성하는 데 성공하였으며, 조성비 변화에 따른 촉매 활성도를 확인하여 단일 금속으로 있을 때 보다 훨씬 뛰어난 활성을 보인다는 것을 확인하였다. 또한, 슈퍼컴퓨터의 양자역학적 계산으로 안정된 합금 결정 구조와 뛰어난 물 전기분해 촉매 활성 메커니즘을 설명하였다.

기존에도 이와 같은 목적을 가진 기술들이 개발되었지만, 제한된 양의 금속을 이용하는 등의 기술적 한계가 있었다.  이번 연구로 개발한 기술은 두 종류 이상의 금속 성분을 한 번에 혼합하는 합금 제조 방법으로, 촉매 뿐만 아니라 여러 가지 소재 개발에도 적용할 수 있다. 더 나아가 양자역학적 계산을 통해 합금 신소재에 대한 물리적, 화학적 성질을 예측하는 방법을 제시하였다.

연구책임자인 박정희 고려대 교수는 “이번 연구 결과는 일반인들의 수소에너지에 필요성 및 재생에너지의 필요성을 인식시킬 수 있게 할 뿐 아니라, 초중고 학생들의 지구 환경 보존 및 신재생 에너지 교육에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 전했다.