저렴하면도 친환경적인 수소를 대량으로 생산할 수 있는 연구 성과가 전북대 대학원 나노융합공학과 연구팀에 의해 제시돼 학계의 주목을 받고 있다.

이 대학 나노융합공학과 다슈람 파델 대학원생(박사과정)과 우데이 나라얀 판 박사(박사 후 연구원·지도교수 이중희)가 물을 전기분해해 그린 수소를 대량생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발한 것이다.

이번 성과는 촉매 분야의 세계적 최고 학술지인 '어플라이드 카탈리시스 비 (Applied Catalysis B: Environmental)'(IF=16.683, JCR 0.94%) 최신호에 게재됐다.

전 세계적으로 지구 온난화가 가속화 되면서 탈 온실가스에 대한 관심이 고조되고 있고, 이로 인해 그린 뉴딜·탄소 중립 전환의 핵심적인 역할을 하고 있는 수소에 대한 관심이 매우 높다. 

그러나 기존의 수소 생산은 원유를 정제하면서 부가적으로 얻어지는 부생수소가스를 사용하거나 천연가스 등을 고온에서 개질해 수소를 생산해 사용하고 있다. 이러한 수소는 사용할 수 있는 양이 매우 제한적이고, 또 화석연료를 이용하기 때문에 청정 기술이라 하긴 어렵다.

때문에 완전한 수소 생산은 물을 전기 분해하는 방법인데, 이는 비교적 생산 단가가 고가라는 단점을 지닌다. 비싼 전기료와 함께 백금이나, 산화이리듐, 루텐늄산화물과 같은 값비싼 귀금속 촉매가 사용되기 때문이다.

이러한 문제 해결을 위해 전북대 연구팀은 저렴하면서도 성능이 우수하고 내구성까지 뛰어난 촉매를 비교적 단순 공정으로 제조할 수 있는 기술을 개발한 것이다. 연구팀은 철(Fe), 인(P), 텅스텐(W) 및 황(S)과 같은 지구상에서 풍부한 원소를 이용해 손쉽고 효율적인 제조 방법을 통해 높은 촉매 활성, 매우 높은 나노 다공성 네트워크를 가진 철과 인이 삽입된 1T-WS2 3차원 나노 구조체 형태의 촉매를 개발해 물을 쉽게 전기분해 할 수 있게 됐다.

실제 실험 결과 개발된 촉매(1T-Fe/P-WS2@CC(+,-))를 활용한 알카라인 전해조 셀은 매우 우수한 성능을 보였다. 기존에 널리 사용되고 있는 상업용 백금-루테늄 촉매가 ~1.57 V @10 mA cm-2 셀전압을 보인 반면, 개발 촉매는 ~1.53 V (@ 10 mA cm-2)의 셀전압을 보여 귀금속보다도 매우 우수하고, 내구성 측면에서도 기존 상용화된 제품에 비해 매우 뛰어난 안정성을 보여 상용화가 가능할 것으로 기대된다. 

이번 연구를 통해 수소생산을 비교적 쉽게 할 수 있는 수전해의 핵심 촉매기술을 개발함으로써 새만금 지역의 그린수소 산업과 수소경제사회를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 보이며, 전북대가 이 분야에서 선도적 연구를 수행하고 있음을 다시 한 번 확인한 결과다.

특히 이번 연구의 교신저자인 이중희 교수는 지난 30여 년 동안 수소에 관한 연구를 통해 많은 우수한 성과를 창출해 기술이전을 등 상용화 경험이 풍부한 만큼 이번 기술 상용화에도 자신감을 보였다. 이 교수는 현재 대한민국 수소경제 컨트롤타워 역할을 하고 있는 수소경제위원회 위원으로 활동 중이고, 현대자동차가 시판 중인 수소전기 자동차의 수소탱크를 개발한 인물이다.

이중희 교수는 “이번 연구 결과는 미래 수소경제사회를 위해 반드시 해결해야 하는 핵심 기술로써 보다 저렴하면서 효율적으로 수소를 생산을 할 수 있는 수전해 원천기술을 마련했다는 데 의미가 있다”면서 “조속한 시일 내에 상용화를 위해 노력하면 실제 산업에 적용 가능할 것으로 보인다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 교육부의 BK-21 Four 사업 지원을 받아 수행됐다.

/장은성 기자