수소 경제의 필수적 공정인 물 분해, 속 빈 나노코일로 쉽게 가능

[에너지경제신문 배준호 에디터] 고려대학교(총장 정진택) 공과대학 신소재공학부 김영근 교수(사진) 연구팀은 서울대 공과대학 재료공학부 남기태 교수 연구팀과 공동연구를 통해 기존 물 분해 촉매 효율을 높일 수 있는 중공 나노코일 복합체를 개발했다.

연구결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 표지 논문으로 선정됐으며, 9월 24일자로 온라인 게재됐다.

물 전기분해 반응은 전기를 이용해 청정에너지인 수소와 산소를 생성하는 친환경 에너지 전환 반응으로, 다가오고 있는 수소 경제에서 필수적인 공정으로 평가받고 있다. 자연계의 대표적인 물 분해 반응인 광합성에서는 망간과 칼슘을 기반으로 한 클러스터를 이용해 물 산화 반응을 진행하며, 이러한 망간-칼슘 클러스터에서 영감을 받아 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 망간 기반 전기촉매가 개발됐다. 그러나, 여전히 높은 과전압으로 인해 성능 향상의 새로운 돌파구를 찾기 위한 연구가 꾸준히 진행돼왔다.

연구팀은 물 분자가 접촉하는 전기화학 촉매의 활성 자리(active site)를 극대화할 수 있도록 3차원 구조에서 가장 넓은 표면적을 가질 수 있는 나선 모양의 나노코일 형태에 집중했다. 연구진은 전기도금법으로 나노코일 형태를 합성한 후, 전기화학적 경로차와 물질 확산 속도 차이를 이용하여 단일 및 다성분 3d 전이금속 기반 무기질 중공 나노코일들을 합성했다. 그 중 망간 기반 중공 나노코일에 산화 망간 나노입자를 부착시켜 기존에 보고된 망간 기반 촉매에 비해 표면적 및 활성 자리 수를 크게 증가시킨 나노복합체를 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 "나선형 코일 구조에 나노입자들이 달라붙어 있는 새로운 나노구조는 간단한 방법만으로 전기촉매 성능을 효율적으로 증가시켜 기존과 다른 새로운 촉매 설계 방법론을 제시했다. 이외에도 중공 나노코일 구조체의 넓은 표면적과 활성자리 제어가 필요한 에너지·환경 및 바이오 분야로의 응용이 가능하다"고 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

※ 논문 정보
- 논문명 : Inorganic Hollow Nanocoils Fabricated by Controlled Interfacial Reaction and Their Electrocatalytic Properties
- 저자 : 김영근 교수(교신저자/고려대), 남기태 교수(교신저자/서울대), 문준환(제1저자, 고려대), 이무영(제1저자, 서울대), 박범철 박사(공동저자, 고려대), 전유상 박사(공동저자, 고려대), 김승현(공동저자, 고려대), 김태순(공동저자, 고려대), 고민준(공동저자, 고려대), 조강희(공동저자, 서울대)

▲ 중공 나노코일의 합성과정물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용한 중공 나노코일 합성 모식도 (a) 깨끗한 표면을 가진 단일 성분 CrPO4 중공 나노코일 (b) 거친 표면을 가진 다성분 MnOxP0.21 중공 나노코일

▲ 망간 기반 중공 나노코일 복합체의 물 전기분해 촉매 특성(a) 망간 기반 중공 나노코일 복합체 형성 모식도 (b) 중성 pH 전해질에서의 물 전기분해 촉매 효율을 보여주는 순환 전류 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 촉매 효율이 증가했음을 보여준다. (c) 전기화학적 활성 표면적 (Electrochemical active surface area; ECSA) 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 기울기가 상승하여 활성 표면적이 증가했음을 보여준다. (자료=고려대)