한국생산기술연구원

[그린뉴딜] 수소 촉매, 유해 화학공정 없이 레이저로 만든다.

생기원, ‘펄스 레이저’ 이용한 친환경 물리공정으로 수소생성 촉매 ‘세계 최초’ 제조

기존 화학공정보다 공정시간 80% 단축, 촉매 제작비용 50% 절감 기대

□ 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 건국대학교와 함께 ‘펄스 레이저(Pulsed laser)’를 활용한 친환경 물리공정으로 저비용·고효율의 수소생성 촉매를 제조할 수 있는 원천기술을 개발했다.

ㅇ 환경에 유해한 화학공정 없이 탄소나노튜브* 표면에 펄스 레이저를 쏘아 탄소 이외의 이종원소를 단일원자 형태**로 첨가해 촉매를 만드는 방식이다.

* 탄소 원자가 둥글게 원통형으로 말려 있는 나선형 구조의 물질. 전기적, 기계적 특성이 우수하고 제조가 용이해 소재산업에서 다양하게 쓰임

** 원소 : 더 이상 분해되지 않고 물질을 이루는 기본성분 / 원자 : 물질을 이루는 최소단위

ㅇ 이 기술은 2020년 9월 펄스 레이저를 이용해 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점을 제작하는 메커니즘*을 규명한 데 이은 후속 성과다.

* 나노소재 저널「Small」표지논문으로 선정돼 ’20.11.5. 언론보도 됨
(보도자료명 : 꿈의 나노물질 ‘그래핀 양자점’, 새로운 과학적 근거 마련하다)

□ 수소생성 촉매는 물을 전기분해해 친환경적으로 수소를 생산하는 ‘수전해 시스템’에서 수소 생산의 효율과 단가를 좌우하는 핵심요소다.

ㅇ 그런데 현재 개발된 수전해 시스템에서는 일반적으로 백금(Pt), 루세늄(Ru)과 같은 귀금속 촉매를 사용하기 때문에 단가가 높아져 상용화에 난항을 겪어 왔다.

ㅇ 그 대안으로, 우수한 전기전도도를 갖는 ‘탄소 소재’에 수소생성 촉매 특성이 우수한 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 이종원소를 단일원자 형태로 첨가해 수전해 특성을 향상시키는 신기술이 최근 주목받고 있다.

ㅇ 하지만 이처럼 단일원자가 첨가된 촉매를 제조하기 위해서는 2차 열처리 및 화학공정이 필수적으로 수반되기 때문에 공정시간이 오래 걸리고 고농도 촉매 제조에도 공정상의 어려움이 많았다.

□ 생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대학교 미래에너지공학과 한혁수 교수가 이끄는 공동연구팀은 지난 9월 규명했던 메커니즘 원리를 이용, ‘펄스 레이저의 에너지 밀도에 따른 탄소소재의 형상 제어’ 연구로 한 단계 더 발전시켜 수소생성 촉매 제조에 적용했다.

ㅇ 펄스레이저 공정은 화학첨가물이 불필요한 물리공정이기 때문에 기존 화학공정에 비해 친환경적으로 나노소재를 제작할 수 있고 반응속도도 빨라 공정시간 단축에 유리하다.

ㅇ 연구팀은 펄스 레이저가 탄소나노튜브에 조사될 때 고온·고압이 순간적으로 형성되고 사라지는 과정에서 탄소나노튜브 표면 전반에 단일원자들이 고르게 침투하는 현상을 활용, 고농도의 코발트(Co), 인(P) 단일원자 촉매 제작에 성공했다.

□ 이번 성과는 세계 최초로 펄스레이저를 활용해 이종원소를 단일원자 형태로 고전도성 탄소소재에 도핑(Doping)하는 물리적 공정기술이라는 점에서 의의가 크다.

ㅇ 실제 실험결과, 개발된 촉매는 기존 화학공정으로 제조된 단일원자 촉매 대비 도핑 밀도가 약 5.5배의 고농도까지 향상되었으며, 종래의 귀금속 촉매와 비교해도 수소생산 효율이 약 7% 향상된 것으로 나타났다.

ㅇ 향후 상용화될 경우, 기존 화학공정보다 공정시간이 80% 가량 단축되고 촉매 제작비용도 50% 이상 절감할 수 있을 것으로 예상된다.

□ 김강민 박사는 “생기원 대표기술 ‘키-테크(Key-Tech)*’ 성과 중 하나로서 수소생성 촉매 제조에도 펄스 레이저 공정이 유효하며, 그 상용화 가능성까지 입증한 사례”이며, “국내 수소산업 생태계 조성의 발판이 되어 그린뉴딜과 2050 탄소중립 실현에 기여할 수 있길 바란다.”고 말했다.

* 국가 R&D혁신을 주도하고 소·부·장 독립을 뒷받침할 수 있는 생기원 대표기술 143개

ㅇ 한편 이번 연구결과는 지난 3월 나노소재 분야의 유명 해외저널 ‘ACS nano(Impact Factor : 14.588)’ 온라인 판에 게재됐다. 생기원 김강민 박사는 교신저자로, 강석현 박사(포스트닥터)가 제 1저자로 참여했다.

ㅇ 또한 본 연구는 한국연구재단이 지원하는 개인기초연구사업의 중견연구 과제 지원을 받아 2020년 9월부터 2022년 2월?