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친환경 수소생산 촉매 개발로 지구 온난화 막는다
2020.08.28

친환경 수소생산 촉매 개발로 지구 온난화 막는다
한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹, 정영규 박사



오른쪽부터 정영규 수석 연구원, 윤소연 연구원, 권용중 포스트닥터, 김강민 수석 연구원.ⓒ한국생산기술연구원


산업혁명 이후 인류는 화석 연료를 통해 산업화를 이뤘다. 그로 인한 대기 오염, 지구 온난화 등 심각한 환경문제를 맞닥뜨리게 됐다. 이러한 가운데, 화석 연료의 단점을 보완하고자 새로운 에너지원인 수소 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.


지난해 1월 정부는 ‘수소경제 시대’를 선언했다. 기존의 주 에너지원인 석유·석탄에서 벗어나 이제는 수소 에너지를 우리나라의 주력 산업인 자동차, 조선, 석유화학 등 다양한 분야에 접목시켜 경제 발전으로 이끌겠다는 것이다.


한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹 정영규 박사는 “현 정부에서도 추구하고 있듯 수소 에너지는 결국 미래의 궁극적 에너지원이 될 것”이라고 말했다.

 

강릉에 위치한 생기원 강원본부에서 반도체 산화물을 이용한 고효율 수전해 촉매와 인체 유해 가스센서를 집중적으로 연구하고 있는 정영규 박사. 최근 고효율 수소 가스를 저비용으로 추출하기 위한 촉매 기술을 개발한 정 박사는 해당 논문이 지난 8월 20일 나노기술 분야 최고 권위 국제학술지인 ‘스몰(Small)’에 프론트 커버로 실리기도 했다.

 

◇ 전기 에너지에서…고효율 수소 추출 관건 ‘과전압’ 낮추는 촉매 개발 진행 중



연구 성과는 지난 20일 나노기술 분야 최고 권위 국제학술지인 ‘스몰(Small)’에 프론트 커버로 실렸다.ⓒ한국생산기술연구원


전기화학 반응을 통해 물에서 수소와 산소를 생산해 내는 기술을 ‘수전해’라고 한다.

 

이 기술을 시용하기 위해서는 두 가지 전극이 필요하다. 한쪽은 산소, 다른 한쪽은 수소가 나오는 곳이라고 보면 된다. 이 두 전극에 전압을 걸어 수소와 산소를 발생시키는 원리다. 쉽게 말해 전기 에너지가 들어가야만 물에서 산소와 수소를 발생시킬 수 있는 것이다.


하지만 어느 한쪽에서만 산소가 나오고 수소가 나오는 게 아니라, 동시에 나오는 구조로 돼 있다. 즉 수소가 나오는 만큼 산소가 나오는 구조인데, 여기서 관건은 얼마나 낮은 전압에서 산소와 수소를 발생시킬 수 있느냐다. 정리하면 전압을 얼마나 낮출 수 있느냐가 결국 고효율 수소 가스를 확보하는데 중요한 조건이 되는 셈이다.

 

참고로 수전해 기술 중 ‘알칼라인 수전해‘가 가장 오래된 역사를 지녔는데, 이 기술은 안정적 대량 수소 가스 생산이 가능하다. 하지만 효율성은 67% 정도 낮은 수준. 이러한 낮은 효율의 원인은 반대 전극에서 일어나는 산소 발생 반응(Oxygen Eveolution Reation, OER)에서 요구되는 높은 과전압(Overpotential) 때문이다.

 
정영규 박사는 이를 보완하고자 산소발생반응의 ‘과전압’을 낮추는 촉매를 개발했다. “물의 전기분해를 위해서는 이론적으로는 약 1.23V의 에너지가 필요하지만, 실제로는 전극들과 전해질 등의 접촉 저항들에 의해 이론값보다 높은 전압이 필요하게 되고 따라서 추가로 더 많은 에너지를 소모하여 수소를 생산하게 된다. 과전압은 위에서 언급한 저항에 의한 이론값보다 높은 전압 값인 것이다.”


정 박사에 따르면 실제로는 회로 내의 여러 저항값들에 의해 1.6V 이상의 고압이 필요한 상황이라고 설명한다. 1.23V 전압까지 낮추기 위한 핵심이 ‘촉매’인데 현재 개발한 기술로 1.54V까지 낮추는 성과를 냈다.

 

◇ 저렴한 멜라민 소재로 카본나노튜브 만들다



한국생산기술연구원 강원본부에서 반도체 산화물을 이용한 고효율 수전해 촉매와 인체 유해 가스센서를 연구하고 있는 정영규 수석 연구원 ⓒ한국생산기술연구원


최근 정 박사는 멜라민 소재를 이용해 ‘원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)’이라는 요소 기술을 적용해 대량으로 저렴한 카본나노튜브(Carbon nano tube, CNT)를 만들었다. 이와 함께 ‘코발트-나노파티클’(Cobalt-Nanoparticle)을 결부시켜 산소 발생 반응(Oxygen Eveolution Reation, OER)을 촉매로 사용하는 기술을 개발했다.

 

원자층 증착법은 원자수준의 얇은 박막을 소자에 증착할 수 있는 기술을 말한다. 카본나노튜브(CNT)는 탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결돼 관 모양을 이루는 원통 형태의 신소재를 말한다. 1991년 일본 NEC연구소의 이지마 스미오 박사가 처음 발견한 이 튜브는 지름이 머리카락 굵기의 10만분의 1에 불과하지만, 전기 전도율은 은과 비슷하고, 강도는 철강보다 100배 높다.

 
기존 카본나노튜브를 만들기 위해서 사용되는 아크 방전법(Arc Discharge) 또는 화학적 기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)들은 단가가 높다는 단점이 있었다. 정 박사는 비용절감을 위해 비교적 단가가 낮은 멜라민이라는 소재를 이번 연구에 적용했다.

 

멜라민은 카본나노튜브를 만들 때 필요한 탄소가 들어있는 유기 화합물이면서 다른 화합물과 비교해 단가가 매우 낮기 때문이다. 멜라민에는 탄소뿐 아니라 질소 원자가 함께 들어있는데 이 물질을 이용해 탄소나뉴튜브를 합성하면 질소가 도핑된 카본나노튜브를 만들 수 있다. 질소가 도핑된 카본나노튜브는 수전해 반응 시 활성 부위를 증가시켜 촉매 효율을 올릴 수 있다.


정 박사는 “실제 시중에서 질소가 도핑된 카본나노튜브를 구입하려면 굉장히 비싸서 경제적이지 않다”면서 “저렴한 멜라민 소재를 이용해 카본나노튜브를 만들고자 연구했고, 개발에 성공했다”고 말했다. 즉 저렴한 멜라민 소재로 비싼 카본나노튜브를 만들어 낸 것이다. 더불어 OER 촉매에 쓰이는 코발트-나노파티클을 이 튜브와 결부시켜 과전압을 낮출 수 있는 OER 촉매로 만들어내는 성과를 냈다. 코발트-탄소-질소의 3원소가 함께 결합 될 경우 기존 단원소만 존재 할 때 보다 시너지 효과가 창출되어 촉매 효율이 높아진다.

 

그 결과 이러한 연구 성과를 인정받아 지난 20일 나노기술 분야 최고권위 국제학술지인 ‘스몰(Small)’에 논문이 표지에 실렸다.

 

◇ 수소 에너지가 상용화되기 위한 필수조건
 


산소와 수소를 발생시킬 수 있는 실험 장치ⓒ한국생산기술연구원


정영규 박사는 수소 에너지가 상용화되기 위해서는 무엇보다 ‘안정성’이 중요하다고 강조했다. 상용화의 가장 큰 걸림돌로 ‘화학적 안정성’을 언급한 정 박사는 과전압을 낮추는 촉매 특성을 얼마나 안정적으로 긴 시간 유지하느냐가 상용화의 핵심 요인이라고 판단했다.

 

또 정 박사는 우리나라 수전해 촉매 기술은 세계적으로 상위권 수준이라고 말한다.“수전해 촉매는 세계적으로 굉장히 뜨거운 분야입니다. 전 세계에서 수소 에너지 개발과 관련해 많은 연구가 이뤄지고 있습니다. 그럼에도 불구하고 우리나라는 수전해 촉매, 배터리 쪽 관련 에너지 기술 분야에서 상위권에 위치하고 있다고 감히 말씀드릴 수 있을 것 같습니다.”


세계 주요국이 차세대 에너지원으로 수소 에너지에 주목하고 있다. 수소는 연소 후에도 공해물질을 배출하지 않아 석유·석탄 등 화석연료를 대체할 친환경 연료로 꼽힌다. 글로벌 기업 33곳이 참여하는 수소위원회는 2050년 수소경제가 2조 5000억 달러(한화로 3000조 원)규모의 세계 시장을 형성한다고 전망했다. 우리나라도 지난해 1월 수소경제 시대를 선언했다. 우리나라 수소경제 시대의 도약을 위해 정영규 박사의 연구는 현재 진행 중이다.