Water Splitting & Hydrogen Production

 세계는 화석 연료 기반의 에너지 체제에서 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지 체제로 전환을 준비 중이다. 신재생 에너지는 반영구적인 에너지원이나, 특정 시간에는 에너지를 획득할 수 없고 넓은 부지를 필요로 하는 등 시간 및 공간적 제약이 크다. 이러한 간헐적 에너지원을 저장하기 위한 수단으로 수소 기반 화학이 큰 주목을 받고 있다. 신재생 에너지를 수소로 저장 후 필요시 수소 기체로부터 에너지를 얻어내는 연료 전지가 대표적인 예이다. 현재의 수소 스테이션은 주로 부생 수소를 원료로 이용하지만, 궁극적으로는 재생 에너지와 연동하여 전기화학적 물 분해를 통한 수소 공급이 필요하다. 전기화학적 물 분해 반응은 환원극에서의 수소 발생 반응과 산화극에서의 산소 발생 반응으로 구성된다. 수소 발생 반응 촉매의 성능 평가 지표는 수소 발생의 낮은 개시 전위, 높은 수소변환효율 및 내구성이 있다.

 이론적으로는 촉매 전극의 수소에 대한 결합 에너지가 열역학적으로 0에 가까울수록 수소 발생 반응에 유리하다. 백금이 이에 부합하는 대표적인 물질이지만, 높은 가격과 낮은 내구성이라는 한계로 인해 상용화에 어려움이 있다. 본 연구진은 원자 단위로 제어 가능한 나노클러스터를 수소발생 반응용 전기 촉매로 이용한다. 금 나노클러스터에 백금 원자 하나를 도입함으로써 수소 발생 반응성을 크게 증진할 수 있었고, 상용 백금 촉매보다 뛰어난 수소 발생 활성을 확인하였다.

 또한, 리간드의 제어를 통해 수소 발생 반응성이 크게 증진될 수 있음을 확인하였다. 수소 발생 반응의 반응물인 H+를 촉매 활성점 근처로 빠르게 전달 가능한 리간드를 도입하였을 때 수소 발생 반응 속도가 크게 증가한 것을 확인하였다.

 명확한 조성/구조/크기의 나노클러스터의 원자 수준에서의 제어 가능성은 고성능의 수소 발생 촉매 및 여타 전기 화학 반응용 촉매 제조에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

             K. Kwak†, W. Choi†, Q. Tang, M. Kim, Y. Lee, D.-e. Jiang, D. Lee

             Nature Commun. 2017, 8, 14723

             K. Kwak,† W. Choi,† Q. Tang, D.-e. Jiang, D. Lee

             J. Mater. Chem. A 2018, 6, 19495.

Nanomaterials Laboratory

Prof. Dongil Lee's group

Yonsei University, Department of Chemistry

Yonsei-ro 50, Seodaemun-gu, Seoul, Republic of Korea