새로운 촉매: 수소 생산의 지속 가능성을 높이는 혁신적 친환경 기술 발견

Seoul과학자들은 녹색 수소를 생산하기 위한 새로운 촉매를 개발했습니다. 기존의 방법은 화석 연료의 일종인 메탄을 사용하며, 이는 많은 양의 이산화탄소를 배출하여 환경에 해롭습니다. 더 나은 방법은 물 전기 분해인데, 특히 재생 에너지를 사용할 경우 더욱 그렇습니다. 그러나 물을 수소와 산소로 분해하기 위해서는 효과적인 촉매가 필요하며, 이는 보통 백금이나 이리듐과 같은 희귀 원소가 필요합니다.

양성자 교환막(PEM) 기술은 높은 속도와 에너지 효율로 물 전기 분해를 수행할 수 있는 유망한 방법입니다. 그러나 PEM 시스템은 현재 양극 촉매로 이리듐에 의존하고 있습니다. 이리듐은 희귀하고 비용이 많이 들기 때문에 대규모 그린 수소 생산을 방해합니다. 최근 과학자들 그룹이 이리듐에 대한 대안을 찾아 발전을 이루었습니다. 그들은 물의 특성을 활용하여 안정성과 효과성을 지닌 새로운 촉매를 개발했으며, 이 촉매는 이리듐에 의존하지 않습니다.

ICFO의 연구팀은 Ranit Ram, Dr. Lu Xia, Dr. Anku Guha, Dr. Viktoria Golovanova, Dr. Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das, Adrián Pinilla-Sánchez 등으로 구성되어 있으며, Prof. F. Pelayo García de Arquer가 이끌고 있습니다. 그 외에도 카탈루냐 화학연구소(ICIQ), 카탈루냐 과학기술연구소(ICN2), 프랑스 국립과학연구센터(CNRS), 다이아몬드 라이트 소스, 그리고 고급 소재 연구소(INAM)에서 온 연구원들이 함께 참여하고 있습니다.

비이리듐 촉매는 매우 산성 조건에서 분해되는 주요 문제가 있습니다. 반면에 이리듐 산화물은 안정적이며 효율적으로 작동하여 널리 사용됩니다. 망간이나 코발트 산화물 같은 다른 물질을 사용하려는 시도가 있었으나, 산업적 사용에 필요한 높은 전류 수준에서는 보통 견디지 못합니다.

새로운 기법은 코발트-텅스텐 산화물 (CoWO4 또는 CWO)을 활용하며 박리 과정을 포함합니다. 이 과정 동안 텅스텐 산화물(WO4 2-)은 물(H2O)과 하이드록실(OH-) 그룹으로 대체됩니다. 이러한 염기성 환경은 촉매 구조에 물을 통합하는 데 도움이 됩니다.

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연구자들은 새로운 물질을 분석하기 위해 적외선, 라만, X-선 분광법과 같은 다양한 방법을 사용했습니다. 이 과정에서 갇혀 있는 물과 수산기들이 물질의 활성 및 안정성에 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. Dr. Hind Benzidi의 모델링에 따르면, 갇혀 있는 물은 산성 조건에서 촉매의 안정을 유지하는 데 도움을 준다고 합니다.

처리된 CoWO4 촉매는 PEM 반응기에서 시험되었으며, 1 A/cm²의 전류 밀도를 제공하였고 높은 전류 밀도에서도 600시간 이상 안정적으로 유지되었습니다.

새로운 촉매는 이리듐을 사용하지 않은 예전의 촉매에 비해 훨씬 더 성능이 뛰어납니다. 연구팀은 물과 하이드록실기를 첨가하면 다른 재료들도 개선될 수 있다고 생각하고 있습니다. 현재 이들은 대안으로 망간과 니켈을 사용하는 방안을 모색 중입니다.

팀은 이미 새로운 촉매에 대한 특허를 신청했고, 대량 생산을 계획하고 있습니다. 가르시아 데 아르케르 교수는 필요하다면 모든 요소를 테스트할 의사가 있다고 언급했습니다. 라니트 람은 재생 가능 에너지를 발전시키는 것이 기후 변화에 대처하는 데 도움이 된다고 덧붙였습니다. 이 새로운 발전은 이리듐과 같은 희귀한 물질 없이 지속 가능한 수소 생산에 한 발 더 다가가게 해줍니다.