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STS 이용한 고효율 인공광합성 물 분해 촉매 소재 개발저비용의 스테인리스 기반의 전극 제작기술로 인공광합성 기술 상용화 기대

스테인리스 스틸(Stainless steel)은 우리 일상생활에서 자주 사용되는 친숙한 금속 소재이다. 대부분의 주방 용품들이 이 소재로 만들어지고 있을 뿐 아니라 최근에는 자동차, 항공우주 구조물, 건설재료 등으로 그 응용 범위를 넓혀가고 있다. 스테인리스 스틸은 강철의 녹, 부식을 막기 위해 탄소, 크롬, 니켈 등 다양한 원소들을 넣어서 만든 합금이다. 따라서 첨가해 주는 원소의 종류, 양에 따라 현재 다양한 종류의 스테인리스 스틸이 생산되고 있다.

일반적 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습(우측 하단)과 개발된 물 산화 촉매 활성이 높은 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습(좌측 상단). (출처=KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사팀은 지금까지 주로 강철의 녹을 방지하는데 사용되던 스테인리스 스틸을 전혀 새로운 기술 분야, 즉 인공광합성 물 분해 촉매로 응용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 인공광합성은 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 미래 기술로서 오랫동안 꿈의 기술로 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 기후변화 대응형 고부가가치 화합물 제조 방법이 필요한 현 시점에서 인공 광합성 기술은 매우 중요한 기술로 여겨지고 있으나 아직까지 전 세계적으로 초보적인 기술 단계에 머무르고 있다.

인공광합성 기술에는 크게 두 가지 중요 촉매 기술이 필요한데 첫 번째가 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 촉매이고 또 다른 방법은 이산화탄소를 환원시켜 화합물을 만드는 촉매 기술이다. 이 중 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 반응이 더 어려운 기술이며 아직까지 고성능의 촉매가 개발되지 못한 상태이다. 기존에 개발된 수전해 촉매의 경우, 강알카리성 수용액에서는 잘 작동하지만 인공광합성을 할 수 있는 중성 수용액 조건에서는 촉매의 성능이 현저하게 떨어질 뿐만 아니라 현재까지 저가 소재의 촉매가 개발되지 못한 문제점을 지니고 있었다.

KIST 연구진은 스테인리스 스틸에는 여러 원소들이 섞여 있고 이 중에는 물분해 촉매 활성이 큰 원소도 포함되어 있다는 점에 착안하여 이 원소들을 표면으로 석출시킴으로써 아주 쉽고 간편한 방법으로 고성능의 물분해 촉매를 제조하였다. 연구에 사용된 스테인리스 스틸은 AISI(미국철강협회) 304 제품(니켈 10%, 크롬 20% 포함)으로 강알카리 수용액(수산화나트륨)에서 높은 전류(1∼6 A/cm2)를 흘려주게 되면 철, 니켈, 크롬 등 스테인리스 스틸을 이루는 원소들이 녹아져 나오게 되고 이 중 니켈이 표면에 재침전 되면서 ‘NiOOH’ 라는 물질이 스테인리스 스틸 표면에 형성되게 된다. 이 물질이 물 분해에 아주 효과가 좋은 촉매로 작용하게 되며 이렇게 만들어진 스테인리스 스틸 촉매는 중성 전해질에서 지금까지 알려진 촉매 중 가장 높은 효율을 보여 주었다. 특히 이렇게 만들어진 촉매는 궁극적으로 중성 수용액 조건에서 작동하는 인공광합성 시스템에 활용되어 효율과 내구성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

KIST 민병권 박사는 “이번 스테인리스 스틸 소재 기반 물 분해 촉매 기술은 저가 소재와 간단한 공정을 기반으로 대면적화, 대량생산에 유리하다.”고 말하며 “향후 인공 광합성 기술의 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행 되었으며, 연구내용은 국제적 과학 전문지인 ‘Journal of Materials Chemistry A' (IF : 8.867)에 8월 31일자로 온라인 게재되었다.

엄재성 기자  jseom@snmnews.com

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