가천대-아주대-광운대 공동연구팀, 바닷물로 수소 만드는 '고내구성 촉매' 개발

- 철 인화물·탄소나노튜브 결합 구조로 1,000시간 안정적 구동…국제학술지 ‘CEJ’ 게재

- 금속유기골격체 활용 'PhosPy' 공정 적용, 저전압 기반 차세대 수소 생산 기술 제시

- 태양광 연계 야외 구동 실험 완료, 귀금속 의존도 낮춘 해수 수전해 시스템 확장 기대

[비욘드포스트 이봉진 기자] 가천대학교(총장 이길여) 화공생명배터리공학부 김대건·안용남 교수 연구팀이 아주대학교 박성준 교수, 광운대학교 이기원 교수 연구팀과 공동으로 바닷물을 직접 활용해 고효율로 수소를 생산하는 고내구성 이중기능성 전기촉매(FeP@CNT)를 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 연구 결과는 환경 및 화학공학 분야 국제학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.
그린수소 생산을 위한 기존의 수전해 기술은 막대한 양의 담수를 소모해 수자원 확보 비용이 발생한다는 한계가 있었다. 이를 대체하기 위해 해수를 활용하는 전기분해 방식이 대안으로 제시됐으나, 해수 속 염화이온이 전극을 부식시키고 산소 발생을 방해하는 등 반응 환경이 까다로워 상용화에 어려움을 겪어왔다.
연구팀은 염화이온에 의한 부식 문제를 해결하기 위해 금속유기골격체(MOF)를 기반으로 철 인화물(FeP) 나노입자와 탄소나노튜브(CNT)가 결합한 이종구조 촉매를 설계했다. 인화와 열분해를 동시에 진행하는 ‘PhosPy’ 공정을 적용해, 활성 촉매 입자가 전도성 높은 탄소 네트워크 내부에 안정적으로 고정되는 구조를 구현했다.

밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 철 인화물의 특정 결정면(Fe3P)이 물 분자와 수소 흡착에 뛰어난 반응을 보인다는 사실을 확인했다. 특히 촉매를 감싸는 탄소 네트워크는 전자의 이동을 돕는 동시에 염화이온의 접근을 선택적으로 차단해 부식을 막는 역할을 수행했다.

새로 개발된 촉매는 태양전지와 같은 저전압 전력원으로 구동할 수 있으며, 양극과 음극에 모두 적용해 1,000시간 연속 해수 전기분해 시험을 통과했다. 실제 상용화를 가정한 고전류 조건에서도 성능 저하가 나타나지 않았으며, 야외 구동 실험을 통해 재생에너지 연계 수소 생산 시스템으로의 활용 가능성을 입증했다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

bjlee@beyondpost.co.kr