낮은 전압에서 그린 수소 생산 앞당길 고성능 요소 전기분해 촉매개발- IBS, 단일금속원자의 초고중량 탑재 가능한 요소 전기분해 촉매 개발

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2021. 10. 18.

낮은 전압에서 그린 수소 생산 앞당길 고성능 요소 전기분해 촉매개발- IBS, 단일금속원자의 초고중량 탑재 가능한 요소 전기분해 촉매 개발

보도일 2021-10-14 10:34연구단명 나노구조물리 연구단

 

 

낮은 전압에서 그린 수소 생산 앞당길 고성능 요소 전기분해 촉매개발 

- IBS, 단일금속원자의 초고중량 탑재 가능한 요소 전기분해 촉매 개발 - 

- 기존보다 2배 중량 탑재 가능…그린 수소 경제에 기여  -   

 

친환경 미래 연료로 각광받는 수소는 물, 화석연료 등의 화학 성분으로 존재하기 때문에 이들로부터 추출해야한다. 이산화탄소 배출 없이 추출 가능한 그린수소 생산 기술은 물 전기 분해 방법 물 전기분해 방법: 전기에너지를 가해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해시키는 것

이 유일하다. 하지만 느린 산소 발생 반응으로 매우 높은 전압이 필요해 효율성이 낮다. 이에 낮은 전압에서도 수소 생산이 가능한 암모니아 또는 요소 산화반응에 대한 연구가 활발하다. 특히 대기압에서 기체인 암모니아와 달리 요소는 상온에서 고체이므로 운반 및 저장하기가 쉬워 수소원료로 활용 가치가 높다.  

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 (단장 이영희) 이효영 부연구단장은 단일금속원자를 다량 탑재해 요소 산화 반응을 앞당길  고성능 촉매를 개발했다. 물 분해 방식보다 낮은 전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린 수소 생산에 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다. 또한 요소가 풍부한 폐수를 이용해 수소를 생산하면 그린 수소 생산뿐만 아니라 수질 오염 문제를 완화할 것으로 기대된다. 

요소 산화 반응의 속도를 높이는 촉매로 귀금속 기반 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 금속 촉매가 쓰이지만, 매우 고가이며 장기간 작동 시 촉매 성능 및 안정성이 좋지 않다. 이에 최근 나노 물질 기반 촉매에 비해 탁월한 활성반응을 나타내는 단일 원자 촉매에 주목하고 있지만, 쉽게 이동하여 응집되는 경향으로 인해 많은 양의 단일 원자들을 탑재할 수 없는 문제가 있었다. 

 연구진은 단일 금속 원자의 초고중량 탑재 및 안정화를 위해 새로운 표면 변형 전략 방법을 개발했다. 액체 질소 담금질 방법을 사용하여 산화 코발트(Co3O4)표면에 변형을 생성했다. 급하게 냉각된 산화물 지지체 표면은 열팽창으로 인해 변형이 발생하고, 이런 표면에 로듐 단일 원자를 기존 중량대비 2배 더 많이 올려 안정화했다. 변형된 표면이 기존 표면에 비해 로듐의 이동 에너지 장벽을 크게 증가시켜 이동 및 응집을 억제할 수 있다는 것을 발견했다. 

나아가 연구진은 로듐뿐만 아니라 백금, 이리듐 및 루테늄 기반 단일 원자들도 변형된 표면에서 고중량 탑재가 가능한 것을 발견했다. 또한 요소 산화 반응에 필요한 작동 전압으로 촉매 효율 평가 결과 상용화전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생되고 구조의 변화 없이 100시간 동안 장기간 안정성을 보였다. 특히 높은 전압으로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방법에 비해 약 16%의 에너지를 절약할 수 있다. 

 이효영 부연구단장은 “고효율 요소 산화 전기 촉매를 통해 단일 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 고중량 탑재 및 안정화를 해결했다.”며“고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방식으로 생산이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다. 

이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental Science, IF 38.532) 誌에 9월 30일 온라인 게재됐다. 

 

 

연 구 추 가 설 명

 

 

논문/저널/저자

 

Discovering Ultrahigh-Loading of Single-Metal-Atom via Surface Tensile-Strain for Unprecedented Urea Electrolysis. 

Ashwani Kumar, Xinghui Liu, Jinsun Lee, Bharati Debnath, Amol R. Jadhav, Xiaodong Shao, Viet Q. Bui, Yosep Hwang, Yang Liu, Min Gyu Kim, Hyoyoung Lee. 

 

‘에너지 앤 인바이런먼탈 사이언스(Energy & Environmental science IF:38.53)' 9 월 30일 

연구내용

보충 설명

인류의 산업 활동에 필수적인 에너지는 그 사용량이 계속하여 증가하고 있습니다. 그러나 지구의 화석연료 자원은 한정적이며 화석에너지에 의한 기후변화 문제를 일으키고 있습니다. 이때 수소 에너지는 궁극적으로 인류가 당면한 에너지 및 기후 변화를 해결할 수 있는 미래를 위한 차세대 신재생 에너지원으로 간주됩니다. 실제로 그린수소 생산은 탄소 제로 2050과 직접적인 연관성이 있습니다. 

연구 이야기

[연구 과정] 

현재 화석 연료를 정제하여 저렴한 부생수소 연료를 얻고 있습니다. 그러나 화석 연료의 제한된 저장고와 지속적으로 증가하는 환경 위협으로 인해 연구원들은 친환경 공정에서 수소 연료를 생산하는 대체 기술을 개발에 집중하였습니다. 재생 가능 에너지원을 이용한 물 전기 분해 (물을 산소와 수소로 분해)에서 수소를 생산하는 것은 친환경 수소 경제를 달성하는 유일한 방법으로 간주되며 수소 연료 전지가 가정, 산업, 전기 자동차에 전력을 공급하는 미래 방향이기도합니다. 그러나 저가의 고효율 전기 산화 촉매를 사용할 수 없기 때문에 실제 응용 분야에서 수소 생산을 위한 물 및 요소 전기 분해의 효율성이 크게 제한됩니다.

 

[어려웠던 점] 

물 분해 과정에서 수소 발생 반응과 산소 발생 반응이 동시에 일어나지만 산소 발생 반응이 매우 느리고 1.23V의 높은 열역학적 전압이 필요하여 전체적인 물 및 요소 분리 반응의 효율을 저해합니다. 수소 생성을 위한 에너지를 절약하기 위해 느린 산소 발생 반응을 열역학적으로 유리한(0.37V, 열역학적 전압) 요소 산화 반응(UOR)으로 대체하고자 합니다. 부가적으로 설명하면, 그린 수소 생성에 있어서 낮은 전압에서 수소 생산이 가능한 암모니아 또는 요소 산화반응이 있는데, 수소 원료로 대기압에서 기체인 암모니아 대신에 요소는 상온에서 고체이여서 운반 및 저장하기가 쉬운 장점이 있습니다. 또한 매년 약 22000억 톤의 요소가 발생하기 때문에 요소가 풍부한 수질 오염 문제를 추가로 완화합니다. 풍부한 요소 폐수는 전 세계적으로 80%가 강으로 배출됩니다. 

귀금속 기반 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 촉매는 느린 UOR 공정의 속도를 향상시키는 데 사용됩니다. 그러나, 이러한 귀금속 촉매는 매우 고가이며 장기간 작동시 열악한 성능을 보입니다. 따라서 수소 발생에 필요한 에너지를 절약하기 위해서는 저비용, 고성능의 요소 산화 전극 촉매의 개발이 필요합니다.

최근에 단일 원자 촉매(SAC)는 나노 물질 기반 촉매에 비해 탁월한 활성을 나타내었지만, 쉽게 이동하는 경향으로 인해 원자적으로 격리된 단일 원자들이 쉽게 뭉쳐서 많은 양을 전극에 올리기가 어려웠습니다. 또한 수소 생산을 위한 요소산화 반응은 알려져 있지 않아서 새로운 도전이 필요하였습니다. 

 

[성과 차별점] 

1. 금속산화물 표면 변형을 통해 로듐 단일 금속 원자 2배 중량 올리기가능하다 (200% 탑재양 증가). 

2. 본 전극촉매는 cm2 면적당 10 mA (밀리암페어)의 전류 밀도 기준으로 약 1.28V로도 수소발생이 가능하다.  상용 Pt 및 Rh는 1.34 및 1.45V가 필요하다. 낮은 전압일수록 성능이 좋다. 

3. 조립된 요소 전해조는 물 전해조에 비해 수소 생성시 약 ~16.1%의 에너지 절약이 가능하다. 

4. 본 전극 촉매는 구조의 변화 없이 100시간 동안 장기간 안정성을 보였다. 

 

[향후 연구계획] 

이효영 부연구단장은 “이 연구는 단일 금속 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 단일 원자 사이트의 고중량 올리기 및 소자 안정화에 기여하였고 어떤 금속이든지 가능한 일반적인 전략을 제공합니다. 본 요소 산화전극 촉매 기술 개발을 통하여, 그린 수소 생산을 위해, 비록 압력이 필요할지라도 수소 운반 및 생산에 절대적으로 유리한 액체 암모니아 전기 촉매 기술 개발로 이어질 것으로 기대됩니다. 긍극적으로 탄소 발생이 전혀 없고 그린 수소 경제에 한 걸음 더 나아갈 것으로 기대됩니다.  

 

 

그   림   설   명

 

 

 

[그림1] 변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도   

 

 

 

[그림2] 요소 전기 분해를 통한 수소 생산 전기셀

 

[그림3] 요소 전기분해를 통해 낮은 과전압에서 그린 수소 생산 그림    

 

 

[사진1] (왼쪽부터) 쿠마 아쉬와니 (제 1공동 저자), 이효영 교수 (교신 저자), 

      리우 싱휘 (제 1공동 저자).

 

연구진 이력사항

 

<이효영 나노구조물리 연구단 부단장, 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단  성균관대학교 자연과학부 화학과 펠로우 교수 

 

 

 

 

2. 경력사항

1997 - 1999   North Carolina State Univ., 박사후연구원 

1999 - 2000   포항공과대학교, 박사후연구원 

2000 - 2009   한국전자통신연구(ETRI), 책임연구원 

2006 - 2015   기능성 분자메모리 창의연구단, 단장  

2009 - 현(現)  성균관대학교 화학과, 펠로우 교수

2015 - 현(現)  기초과학연구원 나노구조물리 연구단, 부단장

 

3. 전문 분야 정보 

 

 ○ 그래핀 플레이크 소재 및 소자 

 ○ 블루 TiO2 소재 및 응용 기술

 ○ 에너지 생산, 저장 및 변환

 

 

 

 

 

<아쉬와니 쿠마 IBS 나노구조물리 연구단, 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 화학과 박사과정 대학원생

d Research

 

 

<리우 싱휘 IBS 나노구조물리 연구단, 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 화학과 박사과정 대학원생