미국 에너지부, 물에서 수소 저렴하게 생산하는 촉매 개발

지난 30일(현지시간), 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)는 물에서 청정 연료인 수소를 생산하는 저비용 촉매제를 개발했다고 발표했다. 

수소는 산업을 탈탄소화하고 무배출 운송을 가능하게 하는 중요한 청정에너지원이다.

아르곤 국립 연구소가 새로 개발한 촉매제는 상온에서 효율적으로 물을 수소와 산소로 분리하는 양성자 교환막(PEM) 전해조를 사용한다. 다른 수소 생산 공정과 달리 이 공정은 이전보다 에너지가 적게 들어 풍력 및 태양광과 같은 재생 가능한 에너지 공급원을 사용할 수 있는 것으로 알려졌다.

양성자 교환막 전해조는 양극 촉매제로 이리듐을 사용한다. 이리듐은 온스당 약 5000달러(약 653만원)로 양성자 교환막(PEM) 전해조를 채택하는 데 있어 가장 큰 장벽으로 작용해왔다.

그러나 새로운 촉매의 주성분은 이리듐보다 훨씬 저렴한 코발트로 만들어진다. 데이터 플랫폼 스태티스타(Statista)의 자료에 따르면, 2022년 미국 내 코발트 가격은 온스당 496달러(약 65만원)으로 알려졌다.  이리듐보다 10분의 1 저렴한 가격이다.

아르곤 국립연구소의 선임 화학자 디지아 리우(Di-Jia Liu)는 "코발트 기반 촉매를 사용함으로써 양성자 교환막이 전해조에서 깨끗한 수소를 생산하는데 드는 비용을 증가시키는 요인을 제거할 수 있었다”라고 말했다.

전해조 개발 기업인 지너(Giner Inc.)는 동일한 운영 조건에서 PEM 전해조를 사용해 새로운 촉매를 평가한 결과, 성능과 내구성이 경쟁사 촉매보다 월등히 높은 것으로 나타났다고 전했다. 

원자의 반응 매커니즘을 이해하기 위해 연구팀은 미국 아르곤 국립 연구소의 첨단 방사광가속기(Advanced Photon Source, APS)에서 X선 분석을 사용해 촉매에서 발생하는 구조적 변화를 해독했으며, 아르곤의 나노스케일 재료 센터(Center for Nanoscale Materials ,CNM)의 전자 현미경을 통해 주요 촉매 특징 또한 확인했다고 전했다.

아르곤 국립 연구소의 재료 과학자(materials scientist) 지앙궈 웬(Jianguo Wen)은 “다양한 준비 단계를 거쳐 새로운 촉매 표면의 원자 구조를 이미지화했다”라고 전했다.

연구진들은 신소재, 생명과학, 에너지 효율 등 다양한 분야의 연구개발을 진행하는 미국 로렌스 버클리 연구소(Lawrence Berkeley Laboratory)의 컴퓨터 모델링을 통해서도 촉매의 내구성을 확인했다.

리우 선임 화학자는 “이번 연구를 통해 값비싼 금속으로 만든 촉매를 훨씬 저렴하고 구하기 쉬운 원소로 대체하는 유망한 길을 제시했다”라고 말했다.

이번 프로젝트는 미국 에너지부의 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratory)와 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory), 지너(Ginner Inc.) 사의 협력을 통해 진행됐다. 이 연구는 5월 12일 미국 과학 전문 저널 사이언스(Science) 지에 게재됐다.