그린수소생산을 위한 고효율/고내구성 바닷물 수전해 촉매 개발

화학공학전공 최원묵 교수 연구팀

화학공학전공 최원묵 교수

[연구필요성]

일반적으로 그린수소는 신재생에너지를 이용해 정수된 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해 방식으로 생산된다. 현재의 수전해 기술은 초고순도 정제수를 필요하여 이를 위한 추가적인 전력과 비용이 들어간다. 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법이 바닷물 수전해 기술이다. 그러나 바닷물에는 다양한 이온과 불순물들이 존재하며 특히 염소 이온에 의해 기존의 Pt, Ir 와 같은 귀금속 계통 수전해 촉매의 부식 등의 해결해야 할 문제들이 있다. 이에 비귀금속 기반의 고효율 고내구성의 촉매 소재 개발이 필요하다. 

[연구성과/기대효과]

울산대학교 화학공학부 최원묵 교수 연구실에서는 인(phosphorous, P)로 도핑된 그래핀 양자점(P-GQDs)과 그래핀 하이드로젤(GH)을 이용하여 고효율 고내구성의 바닷물 수전해 촉매를 개발하였다. P-GQDs와 GH로 이루어진 복합체는 정수된 물 뿐만 아니라 바닷물의 수전해의 양극(산소 생산)와 음극(수소 생산) 모두에서 우수한 촉매 특성을 보여주었다. 또한 개발된 복합체 촉매를 양극과 음극으로 동시에 사용하여 실제 태양전지와의 연결한 실제 바닷물 수전해 시스템이 1000 시간 동안 안정적으로 작동함을 확인하였다. 이러한 연구를 통해 기존의 귀금속 촉매 대신에 저가의 탄소 소재를 이용하여 정수 뿐 아니라 바닷물 수전해를 통해 그린수소생산 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 

[본문] - 연구 내용 요약

울산대학교 화학공학부 최원묵 교수 연구실에서는 인(phosphorous, P)로 도핑된 그래핀 양자점(P-GQDs)이 정수뿐 만 아니라 바닷물 수전해 반응에서 양극(산소 생산)와 음극(수소 생산) 모두에서 우수한 촉매 특성과 높은 내구성을 확보하는 결과를 Chemical Engineering Journal에 발표하였다. P-GQDs는 인-탄소 결합을 통해 생성된 –PC3 그룹이 산소 생산 및 수소 생산 반응에 존재하는 반응물들과의 우수한 흡착 특성을 보여 기존의 촉매 대비 우수한 수전해 특성을 보인다. 또한, 바닷물에 존재하는 염화 이온의 배척하는 특성을 보여 촉매의 부식을 막아 우수한 내구성을 보여준다. 연구진은 DFT 시뮬레이션과 실험 분석을 통해 규명하였다.

Engineering phosphorous doped graphene quantum dots decorated on graphene hydrogel as effective photocatalyst and high-current density electrocatalyst for seawater splitting, Chemical Engineering Journal, vol 480, 148190 (2024) (https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148190)

[용어 설명]

그래핀: 탄소 원자들이 육각 구조로 결합된 원자 두께의 2차원 평면 구조 나노 물질

그래핀 양자점: 크기가 10 나노미터 이내의 그래핀 나노 조각

수전해: 전기를 이용하여 물분해하여 수소와 산소를 생산하는 기술

[그림설명]

P-GQDs/GH 복합체 촉매를 양극-음극 모두 사용된 태양전지로 구동되는 
바닷물 수전해 시스템

• 연구 시작 계기

   - 울산 지역의 특화 산업인 수소 에너지 분야의 그린수소생산은 아직까지 경제적인 측면에서 많은 어려움이 있어 이러한 문제를 해결하고자 함.

   - 고가의 귀금속 계통의 촉매를 대체할 수 있는 탄소기반 신규 촉매 개발

• 타 연구와의 차별점

   - 복잡하고 고비용의 금속 기반의 촉매 제조 공정없이 간단한 유기물의 화학반응을 통한 그래핀 양자점의 합성 및 이를 이용한 탄소기반 고효율 고내구성 신규  촉매 개발 

   - 수전해용 양극 및 음극에 동시 사용 가능한 고효율 탄소기반 촉매 개발로 저비용의 그린수소생산 가능