KIST, 상용화 공정 위한 저비용 고효율 촉매 개발
개발된 촉매의 향상된 물산화 반응 활성은 방사광가속기(사진) 기반 실시간 X-선 흡수 분석법을 통해 전기화학 반응 중 촉매의 전자 구조를 관찰함으로써 설명할 수 있다. KIST 제공
[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 인공광합성 기술에 필요한 귀금속 촉매를 적게 쓰는 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 오형석, 이웅희 박사 연구팀이 베를린 공대 연구진과 공동으로 이리듐과 코발트를 이용한 나노 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다.
KIST 연구진에 따르면 개발한 촉매가 귀금속인 이리듐을 기존 촉매보다 20% 적게 사용하고도 31% 이상 높은 성능을 보였다. 또 실제 사용 가능성을 확인하기 위해 수돗물을 사용한 장기 테스트에서도 216시간 이상 성능을 유지해 높은 내구성을 보였다.
그결과 개발된 촉매를 실제 이산화탄소 전환 시스템에 적용한 결과 공정에 필요한 에너지가 반 이상 줄었다. 즉 기존 이리듐 산화물 촉매를 사용했을 때와 같은 전압으로도 화합물을 두 배 이상 만들 수 있는 셈이다.
공동연구진은 이리듐 사용량을 줄이기 위해 이리듐-코발트 합금 나노 입자를 제조해 코어로 활용하고, 이리듐 산화물 껍질을 갖는 코어-쉘 구조의 나노 촉매를 만들었다. KIST 오형석 박사는 "이 나노 촉매를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 문제인 산소 발생 반응의 성능과 내구성을 크게 개선할 수 있었다"고 설명했다.
이리듐의 사용량을 줄이기 위한 가장 효과적인 방법은 값이 저렴한 금속 물질을 사용해 나노 크기의 이리듐 합금 촉매를 제조하는 것이다.
KIST 연구진은 이러한 효과적인 촉매를 디자인하기 위해 다양한 실시간 분석법들을 활용했다. 실시간 X-선 흡수 분석법을 통해 코어-쉘 구조 촉매가 이리듐-산소 사이의 거리가 짧아 높은 성능을 보이는 구조로 확인됐다.
또 전해질에 용해돼 손실되는 촉매의 양이 적어 내구성이 높음을 실시간 유도플라즈마 분석법을 통해 확인했다. 이 결과들은 실제 촉매가 반응하는 과정에서 얻었다는 점에서 의미가 있으며, 향후 다양한 촉매 디자인에 활용될 계획이다.
오형석 박사는 "이 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 수 있음은 물론 수소를 생산하는 수전해 시스템 및 다양한 전해 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.