[데일리비즈온 김소윤 기자] 25일 유니스트에 따르면 물을 전기로 분해하는 과정에서 상업용 촉매보다 싸고 성능이 좋은 촉매가 개발됐다. 이 대학 화학과 김광수 교수 연구팀은 “물의 전기분해에 쓰일 저렴한 촉매로 ‘철/코발트 인산(FeCoPO₄)’ 물질을 개발했다”면서 “이는 상업적으로 쓰이는 비싼 촉매 대비 25%나 성능이 개선된 촉매”라고 밝혔다.

이에 따르면 물 분해 반응에서는 수소와 산소를 만드는 반응이 각각 동시에 발생한다. 이 둘 중 산소 발생 반응은 상대적으로 속도가 느려 전체 물 분해 반응의 효율을 낮춘다. 이를 극복하기 위해 산화이리듐(IrO₂)과 산화루테늄(RuO2)을 산소 발생 반응의 촉매로 써서 반응속도를 높이지만 뛰어난 성능에 비해 안정성이 낮다. 또 이리듐과 루테늄이 비싼 귀금속 성분인데 이들이 주성분이라는 점이 한계점이다.

이에 착안한 김 교수팀은 값싼 물질을 이용해 효율과 안전성이 높은 새로운 산소 발생 반응용 촉매를 개발했다. 설탄 유니스트 화학과 박사과정 연구원이 고안한 산화 그래핀 지지대 위 철(Fe), 코발트(Co), 인산(P)을 넣은 물질이다. 하미란 유니스트 연구원은 연구 방향에 맞춰 철과 코발트가 인산과 결합해 만들어지는 다양한 조성의 물질을 슈퍼컴퓨터로 계산했다.

철/코발트 인산 촉매에서 산소 발생 반응은 철과 코발트 원자 위에서 발생한다. 이 원자 주위의 전자 분포와 화학결합이 산소 발생 반응의 효율을 결정하는데 새로 개발한 촉매는 첨가된 인산이 해당 부분을 최적화하는 것으로 연구팀에 의해 계산됐다. 연구팀은 이러한 이론을 기반으로 예측된 물질을 합성해 실험적으로 입증했다.

특히 상업용 대비 25%의 성능 개선 효과와 관련 연구팀은 “촉매 효율은 반응을 일으키기 위해 추가로 들어가는 전기 에너지의 양인 ‘과전압’으로 평가한다. 촉매 1㎠ 당 100밀리암페어(mA)의 전류 밀도를 얻을 때 산화이리듐은 303밀리볼트(mV)가 필요하지만 새로운 촉매는 237mV만 필요했다. 이 값은 이론적으로 예측했던 값에도 가깝다”고 설명했다.

새롭게 발견된 물질은 고효율인 점과 함께 뛰어난 안정성도 특징이다. 5000번 이상 반응한 후에도 구조적으로 크게 변하지 않았고 70시간 동안 반응을 지속해도 반응성이 떨어지지 않았다는 것이 연구팀의 설명이다. 촉매를 구성하는 산화 그래핀 지지체가 철/코발트와 인산의 낮은 전기 전도도를 보완해 더 우수한 반응성을 보였다.

이번 연구 결과에 대해 김광수 교수는 “값비싼 상용 촉매보다 산소 발생 반응성이 훨씬 개선된 데다 수백 배 저렴한 촉매가 개발됐다”면서 “향후 연료전지 등 여러 친환경 에너지 물질의 촉매 개발에도 유용할 것”이라고 밝혔다.

한편, 한국연구재단의 지원으로 이루어진 이번 연구는 에너지 분야에서 권위 있는 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션’에 출판됐다. 이론계산은 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터가 사용됐다.