UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)는 백종범 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀이 백금 가격의 4%에 해당하는 루테늄(Ru)을 그래핀에 담은 새로운 촉매 물질인 '루테늄엣그래핀(Ru@GnP)'를 개발했다고 12일 밝혔다.

이 물질은 현재 상용화된 백금 촉매를 능가하는 성능을 갖추고 있다. 반영구적으로 사용 가능한 내구성도 지녔다. 백금 촉매를 대체할 차세대 촉매로서 가능성을 주목받고 있다.

수소는 우주 질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소로 미래친환경 에너지 자원으로 손꼽힌다. 그러나 현재 사용되는 수소는 석유나 석탄, 천연가스 등의 화석연료에서 분리해 얻는 게 대부분이다.

이런 방법은 제조단가는 낮지만, 수송비가 높고 환경오염도 유발한다. 이를 해결할 대안으로 전기를 이용해 물에서 수소를 분리하는 방법이 주목받고 있다. 이때 수소 발생 반응이 중요하게 활용된다.

물의 전기분해에서 고효율을 달성하려면 수소 발생 반응이 일어나는 데 필요한 최소 전압(과전압)이 낮고 반응속도가 빨라야 한다.

지금까지 두 조건을 만족시키는 가장 우수한 물질로는 백금이 꼽혔지만, 귀금속이라 비싸고 물에서 전기화학적 안정성이 낮아서 조금씩 닳는(용해) 문제가 있었다. 백금을 대신할 비(非)귀금속 기반 촉매 연구도 많았지만 물에서 부식되는 문제를 해결하기 어려웠다.

연구진은 저가의 귀금속인 '루테늄 염(Ru salt)'과 '초산기(-COOH)가 붙은 그래핀'을 물속에 넣고 교반시켰다. 이때 자연스러운 화학반응이 일어났고 이 상태에서 열처리를 진행해 루테늄엣그래핀(Ru@GnP)을 제조했다. 금속과 그래핀 복합체를 간단한 방식으로 생산해 가격경쟁력을 한층 더 강화했다.

이렇게 만들어진 루테늄엣그래핀 촉매는 물 분해 반응에 필요한 과전압을 백금 촉매보다 더 낮추는 뛰어난 성능을 보였다. 또 물의 산·염기 농도(pH)에 따라 크게 영향을 받는 기존 백금 촉매와 달리 대체로 일정한 성능을 보였다.

백종범 교수는 "금속과 그래핀 복합체를 저렴하게 대량생산할 길을 개척하고, 이를 통해 상업적 경쟁력을 갖춘 물 분해 촉매를 개발한 것"이라며 "물의 산·염기 농도에 관계없이 우수한 성능을 보이기 때문에 다양한 환경에서도 사용할 수 있다"고 말했다.

이번 연구에는 펭 리(Feng Li) UNIST 에너지 및 화학공학부 박사가 제1저자로 참여했다. 전인엽 원광대 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

한편, 이번 연구 결과는 소재 분야 권위지인 '어드밴스드 머트리얼스(Advanced Materials)'에 11월 첫 호의 속표지 선정돼 출판됐다.