▲ 철, 니켈-아졸레이트 금속-유기 구조체 촉매 구조 및 물 산화 반응 활성도 / 니켈-아졸레이트 금속-유기 구조체에 철 혹은 코발트의 금속 원자 단위 비율을 개질하여, 알칼리 환경에서 물산화 반응 활성도 증대(그림 및 설명=포항공과대학교 김민석 석사)   © 특허뉴스

그린수소를 안정적이고 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 전기화학 촉매 합성 기술이 개발됐다. 수전해 소재로 주목받고 있는 다공성 금속유기구조체(MOF)를 이용해 향상된 성능의 원인을 원자 단위에서 규명했다는 점에서도 주목된다. 

한국연구재단은 포항공과대학교 박선아 교수, 충남대학교 신혜영 교수 연구팀이 금속유기구조체에 철을 원자 단위 비율로 개질하여, 물 산화 반응의 성능을 크게 높이고 실시간 라만 분광법을 통해 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

수전해(水電解)는 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용해 물을 전기분해하고 이 과정에서 그린수소를 추출하는 기술이다. 여러 수전해 방법 중에서도 기술 성숙도가 가장 높은 알칼라인 수전해는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 한다. 

수소 생산단가가 저렴한 장점이 있지만 전기분해 시 물 산화 반응에서 높은 과전압이 필요해 고성능 촉매 개발이 요구된다. 현재까지 연구된 일반적인 산화물 촉매의 경우, 금속 산화물 구조 내의 균일도를 원자 단위로 조절하기 어려워 물 산화 활성 원인을 규명하기 어렵고 안정성에 한계가 있었다.

연구팀은 금속유기구조체(MOF)에 다양한 금속 원자를 촉매에 도입하는 방법으로 물 산화 활성에 접근했다.

금속과 유기물이 규칙적인 기공 구조가 반복되는 MOF의 결정 구조를 활용, 다른 금속 활성화 자리를 구획화된 구조에 도입한 것이다.

이렇게 원자 단위의 설계를 통해 이성분계 MOF를 합성했으며, 특히 니켈, 철 기반 기반의 MOF에서는 물 산화 반응에 필요한 과전압을 크게 저감해 기존 금속 산화물에 버금가는 성능을 확보했다. 해당 결과를 실시간 라만 분광법 및 밀도 범함수 이론을 통해 촉매 활성 원인을 이론적으로 증명했다.

박선아 교수는 “MOF를 합성해 안정적이고 효율적인 전기화학 촉매를 개발하고, 촉매의 향상된 성능을 화학적으로 규명해 다른 전기화학 촉매 설계에도 기여할 수 있다”며 “기존 산화물 기반 촉매에서 복잡하게 해석되었던 이성분 시스템에 대한 해석을 단순하고 명확하게 제시했다는 점에서도 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구의 성과는 재료 과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 매터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 5월 22일 게재되었다. 

논문명은 Tailoring Electrochemical Water Oxidation Activity from the Isostructural Series of Alkaline-stable Bimetallic Fe, Ni-azolate Metal-Organic Frameworks 이다.