연구원들이 수소 생산 효율을 크게 향상시키는 고급 백금 나노촉매를 개발했습니다. 이 획기적인 하이브리드 촉매는 더 높은 활성과 안정성을 갖고 있어 수소전기차에 사용될 것으로 기대된다. 한국 국토교통부 자료에 따르면 2022년까지 한국에 등록된 수소전기차는 2018년보다 3배 늘어난 약 3만대에 달할 것으로 예상된다. 하지만 한국의 수소충전소는 135개에 불과하다.
수소가 차량에 보다 쉽게 활용되고 신뢰할 수 있는 대체 에너지원으로 인정받기 위해서는 수소 생산 비용을 낮추고 경제성을 확보해야 합니다. 이 목표의 핵심은 물에서 수소 가스를 생성하는 전기분해-수소 발생 과정의 효율성을 최적화하는 것입니다.
최근 포항공과대학교 화학과 이인수 교수, 소멘두타 연구교수, 구병수 연구팀이 백금 나노촉매 개발을 통해 녹색 에너지인 수소 생산 효율을 획기적으로 향상시켰다.
그들은 두 가지 다른 금속을 점진적으로 증착함으로써 이를 달성했습니다. 그들의 연구 결과는 화학 분야에 전념하는 매우 존경받는 저널인 Angewandte Chemie에 게재되었습니다.
크기가 나노미터 범위에 있는 다양한 재료를 촉매 표면의 특정 위치에 선택적으로 증착하는 것은 상당한 과제를 안겨줍니다. 우발적인 증착은 촉매의 활성 부위를 차단하거나 서로의 기능을 방해할 수 있습니다. 이러한 딜레마는 단일 재료에 니켈과 팔라듐이 동시에 증착되는 것을 방지합니다. 니켈은 물 분해를 활성화하는 역할을 하고, 팔라듐은 수소 이온이 수소 분자로 전환되는 것을 촉진합니다.
연구팀은 2차원 평면형 나노결정에 증착된 금속의 위치를 미세하게 제어할 수 있는 새로운 형태의 나노반응기를 개발했다. 또한 그들은 서로 다른 재료가 2차원 백금 나노결정의 서로 다른 측면을 덮을 수 있도록 하는 나노 규모의 미세 증착 공정도 설계했습니다. 이 새로운 방법으로 "백금-니켈-팔라듐" 3금속 하이브리드 촉매 물질이 개발되었습니다. 연속 증착을 통해 팔라듐 및 니켈 나노필름은 각각 2차원 백금 나노결정의 평면과 가장자리를 선택적으로 덮습니다.
하이브리드 촉매에는 고유한 니켈/백금 및 팔라듐/백금 인터페이스가 있으며, 이는 각각 물 분리 및 수소 분자 생성 프로세스를 촉진하는 데 사용됩니다. 따라서 이 두 가지 다른 공정의 시너지 효과는 전기분해-수소 발생 효율을 크게 향상시킵니다.
연구 결과에 따르면 기존 백금탄소 촉매에 비해 3금속 하이브리드 나노촉매의 촉매 활성이 7.9배 증가한 것으로 나타났다. 또한, 이 새로운 촉매는 놀라운 안정성을 가지며 최대 50시간의 반응 시간 후에도 높은 촉매 활성을 유지합니다. 이는 이기종 인터페이스 간의 기능적 간섭이나 충돌 문제를 해결합니다.
연구를 주도한 이인수 교수는 “하이브리드 소재에 형성된 조화로운 이종 계면을 개발하고 공정상의 어려움을 극복하는데 성공했다”며 “이 연구 결과가 수소반응 촉매 소재 개발에 널리 활용되길 바란다”고 낙관했다.