포스텍·서울대 공동 연구팀, 탄소 배출 없는 '그린수소' 더 효율적으로 만드는 기술 개발

지구상 분포 많은 '철'을 통해 경제적으로 친환경 수소 생산 길 열어

포스텍 진현규 교수

서울대 한정우 교수

포스텍(포항공대) 기계공학과 진현규 교수팀이 서울대 재료공학부 한정우 교수팀과 함께 기존보다 두 배 이상 효율적으로 그린 수소를 만들 수 있는 철 기반 촉매를 개발했다.

연구결과는 구조 재료 분야 국제 학술지 '악타 머터리얼리아' 온라인판에 최근 게재됐다.

그린수소는 수소 가운데서도 탄소를 전혀 배출하지 않아 미래 에너지원으로 각광받고 있다. 수소는 석탄, 석유, 천연가스 화석연료를 이용해 생산하기 때문에 어떤 방식으로 만들어도 대부분 온실가스가 나온다.

반면 그린수소는 생산과정에서 탄소배출이 없기 때문에 진짜 미래 청정에너지로 평가받고 있다.

이에 연구팀은 고온의 열로 물을 수소와 산소로 분해하는 '열화학적 수소생산' 방식에 주목했다.

이 과정에서 핵심 역할을 하는 것이 바로 '산화물 촉매'다.

산화물 촉매는 산소를 머금었다가 다시 내보내는 반응을 반복하면서 수소 생산을 돕는다. 마치 산소를 흡수하고 방출하는 '스펀지'처럼 작동하는 셈이다.

하지만 기존의 촉매들은 열역학적으로 안정한 상태를 유지하려는 특성 탓에 제 기능을 발휘하려면 매우 높은 온도가 필요했고, 그로 인해 상용화에 어려움이 컸다.

연구팀이 이번에 개발한 촉매는 니켈 페라이트에서 일부 철을 제거한 '철 부족 니켈 페라이트'다. 흥미롭게도 비정상적인 철 겹핍 구조 덕분에 이 촉매는 낮은 온도에서도 산소를 효과적으로 저장하고 방출할 수 있다.

그 결과 연구팀이 개발한 촉매는 1g당 물에서 수소를 생성하는 효율이 0.528%로, 기존 최고 성능 촉매의 0.250%보다 2배 이상 높게 나타났다.

또 연구팀은 촉매 작용 메커니즘을 원자 수준에서 규명했다는 점에서 이번 연구 결과가 상당한 의미를 가진다고 설명했다. 연구팀은 철 기반 산화물 내에 존재하는 '구조적 활성점'을 세계 최초로 밝혀냈으며, 수소가 생성되는 반응 경로를 원자 단위로 정밀하게 분석하는데도 성공했다.

포스텍 진현규 교수는 "지구에 쉽게 구할 수 있는 철로 경제적이고 지속 가능한 수소 생산 방법을 찾았다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "앞으로 태양열, 산업 공정에서 나오는 폐열로 수소를 만들어 내는 연구도 실현가능성이 높아졌다"고 했다.