세상에서 가장 가벼운 고체로 알려진 3차원의 에어로겔. 여기에 나노 기공구조를 적용, 친환경 그린 수소 생산에 핵심 기술인 수전해(Water electrolysis)에 사용되는 고성능 전기 촉매가 개발되었다.
※ 에어로겔 (Aerogel) : 머리카락 굵기의 1/10000 크기인 나노입자가 서로 얽혀있는 구조로 전체 부피의 최대 99%가 공기로 이루어져 지구상에서 가장 가벼운 고체
※ 그린 수소 : 신재생 에너지를 이용해 물을 전기분해하여 얻어지는 친환경 수소
※ 수전해 : 물 분자(H2O)를 전기분해하여 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)를 생산하는 방법
한국연구재단(이사장 이광복)은 박형호 교수(연세대학교) 연구팀이 새로운 고성능 수소 발생 촉매 소재로 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔 소재를 개발했다고 밝혔다. 수소 발생 촉매는 그린 수소를 얻는 수전해 과정에 필수 요소이다.
수소 발생 촉매 중 유일하게 상용화된 전기 촉매인 백금/탄소 (Pt/C)는 높은 촉매 특성을 나타내지만, 사용 시간의 증가에 따라 백금/탄소에 있는 탄소가 분해/산화되어 촉매 성능이 심각하게 저하되는 문제점을 나타낸다.
또한, 금속 산화물을 사용하여 전기 촉매(Pt/MOx)의 안정성을 확보하고자 하는 연구가 진행되어왔으나, 기존에 보고된 금속 산화물들은 낮은 전기전도도와 작은 비표면적 등으로 인해 고효율의 촉매 특성 확보에 어려움이 있다.
이에, 연구팀은 에어로겔 구조를 갖는 주석 산화물을 합성한 뒤 불소의 도핑을 통해, 높은 전기전도도를 보유한 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔을 합성하였다.
나노 기공구조를 갖는 에어로겔은 수 나노 크기의 입자가 3차원 구조를 형성하여 높은 기공률과 큰 비표면적을 구현할 수 있는 구조이다.
연구진이 개발한 에어로겔은 약 20g으로 축구장의 면적을 덮을 수 있을 만큼의 큰 비표면적을 갖는 소재로 나노 구조와 표면 활성을 극대화할 수 있다.
개발한 에어로겔을 전기 촉매의 구조 지지체로 적용하고 백금 나노 클러스터를 복합화하여, 강한 분자간 힘을 바탕으로 전하의 이동을 극대화 시켰다. 그 결과 기존 백금/탄소 촉매 대비 약 22배의 수소변환 효율과 5.4배의 내구성을 갖는 전기 촉매를 개발하였다.
기존 백금/탄소 촉매보다 5mV 작은 작동 전압을 가지며 이는 금속 산화물을 지지체로 사용한 전기 촉매 중 최고 수준이라고 연구팀은 설명했다. 상용 백금 촉매의 사용량을 1/16로 줄여 저렴하면서도 높은 촉매 효율 및 내구성을 확보하였고 친환경 미래 에너지 도입과 탄소 저감 가능성을 기대하고 있다.
이번 연구를 통하여 용액 공정에서 효과적으로 불소를 도핑할 수 있는 기술을 확보하였고, 촉매뿐만 아니라 큰 비표면적과 높은 전기전도도가 모두 필요한 센서, 디스플레이, 연료전지, 열전 분야에 전극 소재 등으로 적용이 가능할 것으로 전망된다.
※ 열전 : 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환할 수 있는 기술
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 1월 4일 게재(온라인) 되었다.
