[이미디어= 황원희 기자] 최근 과학자들은 지속가능한 수소 생산을 가능케 하는 금속 폐기물을 통해 물로부터 수소로 전환시키기 위해 매우 효율적인 방법을 발견했다고 밝혔다.
노팅엄 대학 화학공학부 연구진은 금속 가공 산업의 부산물인 지스러기의 표면이 나노 스케일 수준에서 작은 요철과 흠으로 되어 있다는 것을 발견했다. 이러한 표면 질감은 백금이나 코발트의 원자를 고정시킬 수 있으며 물을 수소와 산소로 나눌 수 있는 효율적인 전기 촉매로 이어진다. 이 연구는 왕립 화학 협회의 소재화학(Material Chemistry A)저널지에 게재되었다.
수소는 차량이나 열을 생산하는 데 사용할 수 있는 청정 연료이며, 수소를 연소시키는 유일한 부산물은 수증기이다. 그러나 대부분의 수소 생산 방법은 화석 연료의 공급에 의존한다. 물의 전기 분해는 물과 전기만 필요하기 때문에 수소 생산은 가장 유망한 녹색 에너지원 중 하나이다.
물 분해를 촉진하기 위해 백금과 같은 희귀하고 값비싼 원소가 필요하기 때문에, 이 공정은 수전해에 대한 도전에 직면해 있다. 전 세계적으로 공급이 제한되고 귀금속의 가격이 상승함에 따라 물에서 수소를 생산할 수 있는 대체 전극 촉매 물질에 대한 필요성이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
연구진은 영국의 산업만 보더라도 매년 수백만톤의 금속 폐기물이 발생하는데 전자 현미경을 이용해 스테인레스스틸, 티타늄, 니켈합금의 지스러기가 겉보기와 달리 매끄러운 표면을 갖고 있음을 알 수 있었다고 밝혔다. 그 표면은 겨우 수십 나노미터 너비의 흠과 요철이 있어서 나노 텍스쳐화된 표면이 전기 촉매 제조에 특화될 수 있다는 것을 알 수 있었다고 말했다.
또한 연구진은 지스러기 표면에 백금원자 ‘레인’을 만들기 위해 자석 스퍼터링을 사용했다. 그후 이 백금 원자들은 나노 스케일의 홈에 딱 맞는 나노 입자로 합쳐진다.
최첨단 상용 촉매에 비해 백금 로딩량의 10분의 1만으로 물에서 수소를 생산할 수 있다는 것은 놀라운 일이다. 지스러기 1cm² 이상의 귀금속을 28마이크로그램만 펼쳐서 100% 효율로 작동하는 실험실 규모의 전기분해기를 만들 수 있었고, 지스러기 한 조각만으로도 분당 0.5리터의 수소 가스를 생산할 수 있었다.
지스러기로 만든 전기촉매는 경제에 큰 영향을 미칠 가능성이 있다. 노팅엄에서 개발한 고유의 기술은 나노 텍스쳐 표면에 백금 입자를 원자 단위로 성장시키는 것으로 두 가지 주요 과제를 해결했다. 첫째, 가능한 한 적은 양의 귀금속을 사용하여 그린 수소 생산이 가능해졌으며, 둘째, 항공우주산업에서 나오는 금속 폐기물을 한 번의 공정으로 모두 업사이클링할 수 있다는 점이다.
수소 추진 시스템을 개발하는 일은 특히 운송 및 제조 산업에서 가장 시급한 일부 제로 탄소 문제를 해결하기 위한 중요한 단계가 될 수 있다. 그러나 이 전략의 성공은 전기 분해를 통한 물 분할과 같은 지속 가능한 그린 수소 생산에 달려 있어 재료 설계의 혁신을 필요로 한다.
또한 이 연구는 고가의 금속에 대한 의존도를 줄이기 위한 단계를 제시하며 순환 및 저탄소 경제에 기여할 수 있는 이점도 있다고 밝혔다.
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