탄소중립 위한 수전해 시스템 촉매 공정기술 개발

탄소중립의 핵심 기술인 수전해 시스템의 효율을 높이는 기술이 개발됐다.

경기도는 방진호 한양대학교 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 알려져 있다.

하지만, 고가의 귀금속 촉매 소재를 사용함에도 불구하고 물 전기분해 반응에서 수소 생성 반응에 비해 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 만족시키는 소재가 없어 상용화되고 있는 수전해 시스템에서의 사용은 없었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 방진호 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 얻어진 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 또한 다종 성분입자의 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.

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

이번 연구는 경기도지역협력연구센터(GRRC) 사업 및 과학기술정보통신부‧교육부 연구사업 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 촉매화학 분야 국제 저명 학술지인 ‘어플라이드 카타리시스 비: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’ 11월 5일자 최신호에 게재됐다.

한편 경기도 지역협력연구센터(GRRC) 사업은 연구개발 인프라가 부족한 중소기업을 지원하기 위해 경기도가 도내 대학, 연구소와 중소기업을 연결, 기술개발 활동을 지원하는 산·학 협력모델로 관련 산업의 기술 경쟁력 향상을 통한 지역경제 활성화를 목표로 하고 있다. 2021년 지원되는 경기도비는 52억7천만 원으로 센터 당 5억 1천만 원씩 지원하고 있으며, 한양대를 비롯한 10개의 센터가 활발히 연구개발을 수행 중이다.