수소 연료전지용 고효율 망간포스페이트 촉매 개발

남기태 교수팀, 물 전기분해용 백금 대체 촉매 합성

남기태 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 수소 연료전지 상용화를 앞당길 고효율 촉매를 개발했다.

미래창조과학부는 남기태 서울대학교 재료공학부 교수, 박사과정 진경석, 석사 박지민이 주도하고 같은 대학의 한승우 교수팀과 기초과학지원연구원의 김선희 박사팀이 참여한 국내 연구진이 새로운 물질의 물 전기분해용 촉매인 망간포스페이트를 개발했다고 14일 밝혔다.

이번 연구는 새롭게 개발된 촉매 물질로 수소 생산 가격을 획기적으로 낮춰 향후 수소 연료전지 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

화석 연료의 고갈로 인한 에너지 위기 시대에 수소가 대체에너지로 각광받고 있는 가운데 물 분해를 통한 수소 생산은 가장 주요한 대체 에너지 생산 기술로 여겨지고 있다.

현재 희소 금속인 백금을 수소 발생 촉매물질로 이용하고 있으나 희소 금속의 특성상 가격이 매우 비싸고 제조과정이 까다로워 환경 친화적이고 값싼 고효율 촉매의 개발이 시급한 상황이다.

이번 연구는 미래부 글로벌프론티어사업 일환으로 추진하는 멀티스케일에너지시스템 연구단 지원으로 수행돼 연구 결과는 화학분야 세계 최고 권위 학술지인 미국 화학학회지 지난달 23일자 온라인판에 게재됐다.

현재 전기화학반응을 통해 대부분의 수소를 생산하고 촉매를 필수요소로 사용하고 있으나 촉매로 사용되는 희소 금속으로 인한 높은 생산 비용이 상용화의 한계점으로 작용해 왔다.

연구팀은 자연계에 존재하는 망간 클러스터의 촉매 특성이 기존 희소 금속 촉매보다 월등히 뛰어난 것에 주목해 이를 모방한 인공 물 분해 촉매를 디자인하고 세계 최초로 망간포스페이트(Mn3(PO4)2-3H2O)를 합성하는 데 성공하고 합성된 망간포스페이트 구조를 확인해 촉매 우수성을 규명했다.

연구팀은 상온에서 망간 양이온과 포스페이트 음이온을 정량 비율에 맞추어 혼합하고 30분에서 24시간 정도 상온에서 합성을 진행해 화합물을 만들었다.

전기 화학 특성을 평가하기 위해 전극을 합성 용액에 담궈 놓으면 기판 위에 망간포스페이트 화합물이 자가 조립돼 꽃 모양으로 형성되는 것을 확인했다.

전기화학반응을 통해 물 분해 특성 평가를 실시한 결과 수소 1kg을 생산하는 데 필요로 하는 전략량(kg/kwh)이 기존 망간 기반 촉매와 비교하였을 때 5배 이상 줄었다.

망간포스페이트 화합물은 지구상에 가장 풍부히 존재하는 금속 중 하나인 망간을 기반으로 세계에서 가장 값싼 촉매로 평가된다.

망간 금속은 가격이 kg당 2달러에 불과하고 망간포스페이트의 합성조건이 상온에서 30분밖에 걸리지 않아 제조비용이 저렴하고 가격 경쟁력이 매우 우수해 현재 연료전지의 수소생산을 위한 촉매로 이용되는 백금을 대체할 수 있는 주요한 후보 물질이다.

연구진은 물 분해 촉매인 망간포스페이트가 전이금속 기반 촉매 디자인의 새로운 지평을 열어 물 전기분해·연료전지·이차전지 등 광범위한 분야에 응용되고 일상생활과 산업 전반에 다양하게 존재하는 전자소재 및 전기화학반응의 촉매로 응용·적용하려는 연구 개발이 활발히 일어날 것으로 기대하고 있다.

망간 포스페이트 나노 구조체의 전자 현미경 사진(왼쪽)과 결정 구조 그림