저효율 벌크 코발트 산화물의 황화수소 열처리 과정을 통한 고효율 촉매 전화 공정 모식도.

경기도의 산학협력 지원사업인 경기도 지역협력연구센터(GRRC)에서 탄소중립의 핵심 기술인 수전해 시스템의 효율을 높이는 기술을 개발했다.

경기도는 방진호 한양대 에리카(ERICA) 화학분자공학과 교수팀이 그린수소 생산 상용화 성공을 위한 촉매 공정 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

그린수소 등 수소 생산을 위한 수전해 시스템은 전기에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 장치로 이산화탄소가 배출되지 않아 탄소중립에 크게 기여하는 기술이다. 화석 연료를 기반으로 수소를 생산하는 부생 수소 방식에서 벗어나서 고순도의 그린수소를 생산할 수 있는 가장 이상적인 수소 생산 방법으로 알려졌다.

하지만 고가의 귀금속 촉매 소재를 사용하지만 물 전기분해 반응에서 수소 생성 반응보다 산소 생성 반응(물 산화 반응)의 반응 속도가 낮아 수소 생산 효율이 떨어져 실용화에 어려움을 겪고 있다.

여러 가지 나노 구조의 고효율 촉매가 연구 개발됐으나, 경제성과 효율성을 만족하게 하는 소재가 없어 상용화되고 있는 수전해 시스템에서의 사용은 없었다.

이런 문제점을 해결하기 위해 방 교수팀은 저가의 비귀금속 벌크 코발트 산화물(Cobalt(II,III) oxide: Co3O4)을 황화수소(H2S)로 채워진 환경에서 10분간 열처리함으로써 나노 구조화와 표면 활성을 극대화할 수 있는 혁신적인 촉매 공정을 개발했다.

열처리를 통해 얻은 고효율 촉매는 기존 귀금속 산화물 촉매 활성보다 높은 촉매 활성을 보여주는 한편 기존 고효율 나노 구조 기반 촉매와는 달리 대면적 시스템에서도 안정적인 촉매 활성을 확보함으로써, 그동안 상용 수전해 시스템에 적용이 어려웠던 나노 구조 기반의 촉매 소재 적용에 대한 가능성을 높였다.

이번 촉매 기술은 또 다종 성분 입자의 크기 및 조성 분포, 형상 등의 특성에 맞춰 범용적으로 적용될 수 있어 신개념 에너지 변환 기술(P2G) 반응 촉매 분야의 신산업 창출을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

방 교수는 “수전해 시스템의 효율 개선과 나노 소재 기반 촉매 기술의 실용적 적용에 대한 중대한 전환점을 마련했다”고 이번 연구의 의의를 설명했다.