펄스 레이저로 수소생성 촉매 제조하는 기술
기존 화학 공정보다 제작비용 50% 절감 기대


산업 전반, 특히 반도체 미세 공정에서 수소에 대한 수요가 높아지는 가운데, 수소생성 촉매를 저비용·고효율 제조하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국생산기술연구원(생기원)과 건국대학교는 6일, 펄스 레이저(Pulsed laser)를 활용한 친환경 물리 공정으로 수소생성 촉매를 제조하는 원천기술을 개발했다. 환경에 해로운 화학 공정 없이 탄소나노튜브 표면에 펄스 레이저를 쏘아 탄소 이외의 이종 원소를 단일원자 형태로 첨가해 촉매를 만드는 방식이다.

수소생성 촉매는 물을 전기분해해 수소를 제조하는 수전해 시스템에서 수소 생산의 효율과 단가를 좌우하는 요소다. 현재의 수전해 시스템은 백금(Pt), 루세늄(Ru)과 같은 귀금속 촉매를 사용하기 때문에 단가가 높아져 상용화에 난항을 겪었다. 

그 대안으로, 우수한 전기전도도의 탄소 소재에 수소생성 촉매 특성이 우수한 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 이종 원소를 단일원자 형태로 첨가해 수전해 특성을 향상하는 신기술이 최근 주목받고 있다. 하지만 단일원자가 첨가된 촉매를 제조하기 위해서는 2차 열처리 및 화학 공정이 필수적으로 수반돼 공정시간이 오래 걸리고 고농도 촉매 제조에도 공정상의 어려움이 많았다.

생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대학교 미래에너지공학과 한혁수 교수가 이끄는 공동연구팀은 지난 9월 규명했던, 펄스 레이저를 이용해 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점을 제작하는 메커니즘을 발전시켜 수소생성 촉매 제조에 적용했다. 펄스 레이저 공정은 화학첨가물이 불필요한 물리 공정이라 친환경적으로 나노소재를 제작할 수 있고 반응속도도 빨라 공정시간 단축에 유리하다.

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

실제 실험 결과, 개발된 촉매는 화학 공정으로 제조된 단일원자 촉매 대비 도핑 밀도가 약 5.5배의 고농도까지 향상됐고, 귀금속 촉매와 비교해도 수소 생산 효율이 약 7% 향상된 것으로 나타났다. 향후 상용화될 경우, 기존 화학 공정보다 공정시간이 80%가량 단축되고, 촉매 제작비용도 50% 이상 절감될 전망이다.

한편 이번 연구 결과는 지난 3월, 나노소재 분야 해외저널 ‘ACS 나노’ 온라인판에 게재됐다. 또한, 이번 연구는 한국연구재단의 개인기초연구사업의 중견 연구 과제 지원을 받아 2020년 9월부터 2022년 2월까지 2년간 진행된다.