울산과학기술원(UNIST) 연구진이 수소 생산을 위한 수전해(물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 것) 효율을 높이는 촉매 합성에 성공했다.

백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소 발생 촉매를 합성했다고 23일 밝혔다.

이 촉매는 수소 원자를 당기로 밀어내는 두 작용을 적절히 수행, 기존 귀금속 촉매인 백금보다 낮은 과전압(수소 발생 반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지)에서 수소 발생을 일으켰다. 효율과 가격 측면에서 경쟁력을 보인 것이다.

수소 발생 반응 때 촉매는 두 조건을 충족해야 한다.

물속에 있는 수소 원자가 촉매에 잘 붙고(흡착), 수소 원자가 모여 분자가 되면 촉매 표면에서 잘 떨어져야(탈착) 한다. 일반적으로 흡착과 탈착 성질은 반비례한다. 따라서 흡착과 탈착 반응을 잘 조율하는, 이른바 '밀고 당기기'를 잘하는 물질이 좋은 촉매다.

백 교수팀은 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 '범밀도함수 이론'을 활용한 계산을 통해, 질소와 탄소로 이리듐의 흡착·탈착 에너지를 조절하는 방법을 고안했다.

이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히는 물질이지만, 수소 원자를 흡착하는 부분에 한계가 있었다. 수소 원자가 이리듐 표면에 흡착하는 데 필요한 에너지가 높기 때문이다.

연구진은 이리듐 흡착 에너지를 낮추고자 '질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질을 조절'하는 방법을 제안했다.

이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질을 지닌 질소와 탄소를 적절히 배치, 수소 원자를 당기는 힘을 키워준 것이다.

이렇게 만든 촉매의 전기화학적 수소 발생 성능을 산성 환경에서 확인한 결과, 백금 촉매나 순수한 이리듐 나노입자보다 훨씬 뛰어났다.

또 열분석 장비로 살펴본 결과 귀금속인 이리듐 함량도 7% 수준으로 확인됐다. 소량의 귀금속에 값싼 탄소와 질소를 섞어 고효율 촉매를 만들어낸 것이다.

백 교수는 "좋은 성능만 쫓아 새로운 물질을 합성하는 방법 대신 전자껍질을 조절하는 새로운 방법으로 촉매 효율을 높인 연구"라면서 "고가인 이리듐을 소량만 사용해 상용화되면 가격 경쟁력을 갖출 수 있고, 이 방식을 잘 활용하면 다른 금속 기반 촉매를 설계하는 데도 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 이달 6일 자에 게재됐다.