- 고안정성 Ni, Fe 금속-유기 구조체로 물 산화 촉매 효율 향상-

▲철, 니켈-아졸레이트 금속-유기 구조체 촉매 구조 및 물 산화 반응 활성도

니켈-아졸레이트 금속-유기 구조체에 철 혹은 코발트의 금속 원자 단위 비율을 개질하여, 알칼리 환경에서 물산화 반응 활성도 증대 (그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김민석 석사 )

그린수소를 안정적이고 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 전기화학 촉매 합성 기술이 개발됐다. 수전해 소재로 주목받고 있는 다공성 금속유기구조체(MOF)를 이용해 향상된 성능의 원인을 원자 단위에서 규명했다는 점에서도 주목된다. 

한국연구재단은 포항공과대학교 박선아 교수, 충남대학교 신혜영 교수 연구팀이 금속유기구조체*에 철을 원자 단위 비율로 개질(촉매 반응을 이용해 탄화수소 연료를 수소를 포함하는 가스로 전환하는 과정)하여, 물 산화 반응**의 성능을 크게 높이고 실시간 라만 분광법(레이저를 쏘아 물질의 구성을 분석하는 방법)을 통해 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

  *금속유기구조체(metal-organic-framework, MOF) : MOF는 금속과 유기물이 결합해 다공성 구조를 형성하는 물질이다. 뛰어난 물리화학적 특성으로 인해 수소 등 에너지 저장 분야에서 활발한 연구가 이뤄지고 있다.

  **물 산화 반응(oxygen evolution reaction, OER) : 물의 산화반응을 통해 산소와 전기를 발생시키는 것으로 산소발생반응이라고도 한다.

수전해(水電解)는 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용해 물을 전기분해하고 이 과정에서 그린수소를 추출하는 기술이다.

여러 수전해 방법 중에서도 기술 성숙도가 가장 높은 알칼라인 수전해는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 한다. 수소 생산단가가 저렴한 장점이 있지만 전기분해 시 물 산화 반응에서 높은 과전압이 필요해 고성능 촉매 개발이 요구된다. 현재까지 연구된 일반적인 산화물 촉매의 경우, 금속 산화물 구조 내의 균일도를 원자 단위로 조절하기 어려워 물 산화 활성 원인을 규명하기 어렵고 안정성에 한계가 있었다.

연구팀은 금속유기구조체(MOF)에 다양한 금속 원자를 촉매에 도입하는 방법으로 물 산화 활성에 접근했다.

금속과 유기물이 규칙적인 기공 구조가 반복되는 MOF의 결정 구조를 활용, 다른 금속 활성화 자리를 구획화된 구조에 도입한 것이다. 이렇게 원자 단위의 설계를 통해 이성분계 MOF를 합성했으며, 특히 니켈, 철 기반 기반의 MOF에서는 물 산화 반응에 필요한 과전압을 크게 저감해 기존 금속 산화물에 버금가는 성능을 확보했다. 해당 결과를 실시간 라만 분광법 및 밀도 범함수 이론을 통해 촉매 활성 원인을 이론적으로 증명했다.

박선아 교수는 “MOF를 합성해 안정적이고 효율적인 전기화학 촉매를 개발하고, 촉매의 향상된 성능을 화학적으로 규명해 다른 전기화학 촉매 설계에도 기여할 수 있다”며 “기존 산화물 기반 촉매에서 복잡하게 해석되었던 이성분 시스템에 대한 해석을 단순하고 명확하게 제시했다는 점에서도 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부(또는 교육부)와 한국연구재단이 추진하는 집단연구사업 및 개인연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 매터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 5월 22일 게재되었다.