▲ 유성종 KIST 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 박사.

국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(원장 이병권)은 최근 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용해 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 28일 밝혔다.

이번 연구는 KIST 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사, 서울대 화학생물공학부 성영은 교수, 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀이 공동연구를 통해 이뤄냈다.

백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌로 작용해 왔으나 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 이번 연구를 통해 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다.

수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다.

그 중 수소스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등의 문제가 있어왔다.

연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다.

연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공했고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명했다.

물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.

그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다.

이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다.

연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비해 안정성이 뛰어난 것에 착안해 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다.

연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다.

이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다.

이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여줬으며, 백금과 동등한 수준이었다.

황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기 때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다.

니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다.

뿐만 아니라 이번에 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대되고 있다.

유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”며 “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나눠 진행됐으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행됐다.

연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행됐으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일(Nanoscale)에 3월 28일자 표지논문으로 게재됐다.

▲ (a–d) NiS 나노입자와 (e–h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지.