화학과 김광수 교수팀
강성 떨어지는 귀금속 대체
금속 유기물 복합 촉매 개발
석유나 석탄을 연소하면 발생하는 이산화탄소는 지구 온난화의 주범으로, 화석연료를 수소로 대체하려는 시도가 많다. 하지만 대부분의 수소는 화석연료를 원료로 이용해서 만들어지는 모순이 있다.
반면 물에 전기를 흘려 산소와 수소로 분해하는 방식인 ‘물 전기 분해(수전해)’는 물을 원료로 하고 생산 과정에서 오염물질을 방출하지 않는다는 장점이 있다. 다만 물을 전기분해하는 과정에서 수소와 산소를 만드는 반응이 동시에 일어나는데, 전체 반응 속도는 느린 반응인 ‘산소 발생 반응’에 의존해 산소 발생 속도가 느리면 수소 생산 속도도 더디게 된다는 문제가 발생한다.
느린 반응을 촉진시키기 위해 촉매를 사용하는데, 상용화된 촉매는 매장량이 적고 고가인 귀금속을 이용한다. 특히 귀금속 촉매를 전해조(물을 전기 분해하는 일종의 통)에 적용했을 때 전해조의 산성이나 염기성 환경 때문에 촉매의 내구성도 약해진다.
이에 연구팀은 금속 유기물 골격체(MOF)를 이용한 촉매를 개발해 이 문제를 해결했다. 금속 유기물 골격체는 금속 원소와 유기물 원소가 서로 결합해 마치 철근 뼈대와 같은 모양을 하고 있는 물질로, 연구팀은 시뮬레이션을 통해 금속 유기물 골격체 촉매의 최적화된 구조와 성분을 찾아냈다.
새로운 촉매는 촉매 반응이 일어날 수 있는 면적이 넓다는 장점이 있으며, 골격체를 구성하는 금속 물질로 저렴하고 매장량이 풍부한 니켈과 철 금속을 사용했다. 일반적으로 MOF는 전기 전도성과 내구성이 떨어지는 단점이 있지만 연구팀은 그래핀을 추가해 단점을 보완했다. 실증 실험 결과 촉매의 우수한 성능과 내구성을 확인했다.
이춘봉기자 bong@ksilbo.co.kr