국내 연구진은 친환경적인 방법으로 수소기체를 얻을 수 있는 물 전기분해(수전해) 촉매를 개발하여 Nature 자매지인 Nature Catalysis 3월호 표지 논문으로 발표하였다. 물 전기분해를 통한 수소생산은 수소경제를 완성하기 위하여 필수적이기 때문에 중요성이 높다. 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구팀 (제1저자 Jian Wang박사)과 한국과학연구원 화학과 김형준 교수 연구팀은 이차전지 양극소재인 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)에 염화이온(Cl-)을 미세하게 도핑하는 방법으로 경제성, 효율성, 수명을 현저히 향상시킨 물 전기분해 양(+)극 촉매를 개발하였다.

기존 물 전기분해 (+)양극 촉매로 사용되는 루테늄산화물(RuO2)은 매우 고가이며 물 전기분해 도중 수명이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 경제적인 전이금속산화물 등(코발트,니켈,철,망간 등)을 촉매로 대체하여야 한다. 리튬전지 양극소재로 널리 사용되는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)또한 물 전기분해 양(+)극 촉매로 사용하고자 하는 시도가 있어 왔지만 큰 소득을 얻을 수 없었다. 본 연구를 통해 기존 이차전지 활물질 대량생산 인프라를 활용할 수 있는 가능성이 열렸기 때문에 파급력이 높을 것으로 기대된다.

기존 전이금속산화물은 물 전기분해반응 도중 촉매구조가 변하는 상변이 (phase transformation) 현상에 의해 촉매가 망가지거나 성능이 저하되는 고질적인 문제를 안고 있다. 본 연구는 물 전기분해 중에 리튬 코발트 산화물의 상변이를 유도하여 촉매 성능이 오히려 높이는 방법을 찾아냈다.

충방전 도중 리튬 코발트 산화물내 리튬이 물질내로 자유롭게 들어갔다 나올 수 있다는 사실에 착안하여 연구를 시작했다. 물 전기분해 반응 중 빠져나가는 리튬의 이동을 제어함으로써 촉매 상변이를 조절할 수 있을 것이라는 가설에서 시작됐다.

여러 노력끝에, O2-이온을 Cl-이온으로 치환할 경우(Co의 산화수가 3+에서 2+로 낮춰짐) 물 전기분해 도중 표면의 리튬 이동량이 현저히 많아지면서 전해질로 빠져나가는 것을 발견하였다. 그리고 리튬 코발트 산화물 표면에 새로운 상변이 현상이 일어나는 것을 발견했다. 그 결과 그리고 전기분해 반응 효율과 수명이 월등히 상승한 것을 확인하였다.

그 이후, 연구진은 오랜시간 그 원리를 검증하려는 연구를 진행하였다. 특히, 물 전기화학 반응도중 리튬 코발트 산화물의 리튬이 수월히 빠져나가면서 상변이가 일어나는 메커니즘을 설명할 증거가 필요하였다. 이를 위하여 국내 포항방사광가속기 연구소와 해외 유수 방사광가속기의 X선 흡광, 회절, 산란실험 등을 수행하였다. 특히 포항방사광가속기 김민규 박사 연구팀과 수행한 실시간 X선 흡광 실험을 통하여 리튬 코발트 산화물의 전자구조, 결정구조가 물 전기분해도중 가설대로 변한다는 결정적인 증거를 찾아낼 수 있었다.

한국과학기술원의 김형준 교수 연구팀은 실험적 결과를 양자계산을 통하여 이론적 해석을 맡았다. Cl-이온이 리튬 코발트 산화물내 전자구조에 미치는 영향을 이론적으로 해석하였다. 그리고 물 전기분해 도중 리튬이 쉽게 빠져나가고 수산화코발트 상으로 유도할 수 있음을 이론적으로 정립하였다.

본 연구 제1저자인 서울대 Jian Wang 박사는 홍콩과학기술대에서 박사학위를 받고 서울대 임종우 교수 연구실에 2018년에 박사후 연구원으로 합류한 해외 인재이다. 서울대가 해외 우수 신진 박사급 인력을 적극적으로 양성하기 위해 설립한 SNU Science Fellow에 선정되어 본 연구를 수행하였다. 본 연구에 참여한 로렌스 버클리 국립연구소, 중국 북경대, 홍콩과기대 등 해외 우수 연구팀 중심에서 국내 연구진이 주도한 연구 성과라는 점에서 의미를 가진다.

한편 이번 연구는 연구재단의 기후변화대응기술개발사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 신진연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업 및 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행되었다.

김대성  keilbo@keilbo.com

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