[파이낸셜뉴스] 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 반응에는 '촉매'가 꼭 필요하다. 국내 연구진이 중국 연구진과 함께 연구개발을 진행해 비싼 백금을 대체할 새로운 촉매를 개발했다. UNIST는 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 중국 연구진과 공동으로, 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성했다고 23일 밝혔다. 이 촉매는 수소 원자를 당기고 밀어내는 두 작용을 적절히 해내, 백금보다 적은 에너지를 사용해 수소발생 반응이 일어난다. 효율과 가격 면에서 경쟁력을 갖춘 촉매인 셈이다. 이 촉매의 전기화학적 수소발생 성능을 산성 환경에서 확인한 결과, 백금 촉매와 순수한 이리듐 나노입자보다 훨씬 뛰어났다. 또 열분석장비로 살펴본 결과 귀금속인 이리듐 함량도 7% 정도로 확인됐다. 이리듐 역시 귀금속이지만 소량만 사용하면서 값싼 탄소와 질소와 섞어 고효율 촉매를 만들어낸 것이다. 백종범 교수는 "질소나 탄소에 비해 상대적으로 가격이 고가인 이리듐을 아주 소량만 사용해 고효율 촉매 개발에 성공했다"며 "상용화될 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것"이라고 전망했다. 수소발생반응에서 촉매는 두 조건을 맞춰야 한다. 먼저 물속에 있는 수소 원자가 촉매에 잘 붙고(흡착), 수소 원자가 두 개 모여 분자가 되면 촉매 표면에서 잘 떨어져야(탈착) 하는 것이다. 일반적으로 수소발생 촉매의 수소 흡착(adsorption)과 탈착(desorption) 성질은 서로 반비례한다. 따라서 흡착과 탈착 반응 사이에 적절한 조율, 즉 '밀당'을 잘하는 물질이 좋은 촉매다. 연구진은 원자내 전자들의 모양과 에너지를 확인 할 수 있는 범밀도함수 이론을 활용한 계산을 통해, 질소와 탄소로 이리듐의 흡착 및 탈착 에너지를 조절하는 방법을 고안했다. 이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히는 물질이다. 하지만 수소발생반응을 위한 수소 원자를 흡작하는 부분에 어려움이 있었다. 수소 원자가 이리듐 표면에 붙는 데 필요한 에너지가 높기 때문이다. 이번 연구에서는 이리듐의 흡착 에너지를 낮추는 데 '질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질(Orbital)을 조절'하는 방법을 제안했다. 이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질이 큰 질소와 탄소를 적절히 배치해 수소 원자를 당기는 힘을 키워준 것이다. 줄다리기할 때 옆에서 도와주는 사람이 있으면 당기는 힘이 더 커지는 원리와 같다. 연구진은 이 내용을 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 '범밀도함수 이론'으로 계산했다. 이론적 계산 결과를 검증하기 위해 가운데 공 모양의 빈 공간을 갖는 '이리듐-질소-탄소(IrHNC)' 촉매를 합성했다. 공 모양의 플라스틱(폴리스타이렌) 입자 표면에 세 원소를 입힌 후 플라스틱을 제거하는 방식을 쓰자, 속 빈 원형의 입자 표면에 이리듐과 질소, 탄소가 균일하게 분포됐다. 제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 "좋은 성능만 쫓아 새로운 물질을 합성하는 방식에서 '전자껍질(오비탈)을 조절하는 새로운 방법'으로 촉매 효율을 높인 연구"라며 "이번에 쓰인 방식을 활용하면 다른 금속 기반의 촉매를 설계하는 데도 도움이 될 것"이라고 전했다. 이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 지난 6일자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 포항가속기연구소의 지원으로 이뤄졌다. monarch@fnnews.com 김만기 기자
2019-09-23 13:31:11▲ 사진=네이버캐스트 화학사전 멕시코에서 이리듐이 실린 트럭이 통째로 사라져 이목을 끌고 있다. 지난달 27일 오후(이하 현지시각) 외신 매체는 멕시코 중북부에 있는 게레타로 주 산 후안 델리오 시에서 방사성 물질 이리듐-192가 적재된 트럭이 통째로 사라졌다고 보도했다. 이에 멕시코 정부는 게레타로와 이달고 등 인근 5개 주에 경계령을 내리고 주민들에 각별한 주의를 기울이고 있다. 정부 관계자는 이리듐을 직접 만지거나 잠시 노출되더라도 심각한 피해를 볼 수 있다면서 이리듐 용기를 발견하면 열지 말고 즉시 신고해달라고 강조했다. 도난 장소는 수도인 멕시코시티에서 168㎞ 떨어져 있어 차로 2시간 정도 걸리는 거리다. 특히 도난당한 이리듐이 인구가 많은 수도로 유입돼 백화점 등 다중시설에서 노출된다면 대규모 피해가 불가피해 우려를 자아내고 있다. 한편 이리듐은 산업용 방사선 사진술에 사용되는 물질로, 잠시만 노출되더라도 화상, 원자병 등의 위험이 있다. /leemh@fnnews.com 이민희 기자
2016-03-01 08:08:40스마트폰 및 태블릿 PC 제조에 필수재료인 이리듐의 가격이 급등하고 있다. 16일(현지시간) 파이낸셜타임스(FT)에 따르면 희소금속인 이리듐 값이 약 31.1g(1트로이 온스)당 1000달러(약 109만원)를 넘어섰다고 영국 귀금속업체 존슨 매세이가 밝혔다. 이는 지난 2010년 이후 150% 이상 오른 가격이다. 이리듐 값이 급등한 이유는 지난해부터 스마트폰 등 첨단 제품의 수요가 급증했기 때문이다. 현재 아이폰 등 첨단 제품의 화면 및 발광다이오드(LED) 제조에 이리듐이 필수재료로 사용되고 있다. 금속 컨설팅 전문업체 GFMS의 최고 경영자(CEO)인 폴 워커는 “친환경 조명, 자동차에도 이리듐이 쓰이고 있다”며 이리듐의 가격 상승세를 예고했다. 지난해 전세계에 사용된 이리듐은 10t 정도로 추산된다. /paradaks@fnnews.com 민상식 인턴기자
2011-05-17 16:03:48세계 최대의 자동차 부품기업 보쉬의 한국법인인 한국로버트보쉬기전 자동차부품 애프터마켓사업부는 22일 보쉬 점화플러그의 결정판인 ‘플래티넘 이리듐 퓨전 점화플러그’를 출시한다고 밝혔다. 새롭게 출시되는 보쉬 플래티넘-이리듐 퓨전 점화플러그는 플래티넘(백금)과 이리듐이 혼합된 중심전극으로, 보쉬의 독자적인 표면간극기술을 통해 최고 출력을 발휘할 수 있게 된 것이 주요 특징이다. 또 이 제품은 이리듐으로 코팅된 4개의 접지전극으로 인해 내마모성이 다른 이리듐 점화 플러그 제품보다 뛰어난 것으로 평가받고 있다. /kkskim@fnnews.com김기석기자
2008-01-22 10:18:03한국원자력연구소가 자궁경부암을 치료하는 방사선 근접치료용 ‘이리듐(Ir)-192 소형 밀봉 방사선원’을 국산화하는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 방사선 근접치료란 종양 조직 자체나 조직 강내에 방사성동위원소를 직접 집어넣어 정상 조직의 손상을 최소화하면서 종양에만 집중적으로 방사선을 조사하는 방법으로 치료효과가 높다. 우리나라는 그동안 방사선량이 높은 이리듐-192 선원(방사선을 방출하는 물질)과 이를 담는 캡슐의 밀봉을 유지하는 기술이 없어 전량 수입에 의존해 왔다. 한국원자력연구소는 △이리듐-192를 생산하기 위해 원자로에서 중성자를 조사하기 위한 중성자 조사 기술 및 장비 △제품 어셈블리 가공기술 △레이저를 활용한 정밀 밀봉 용접 조립기술 및 장비 △제조된 선원을 안전하게 운송해 치료기에 장착할 수 있는 밀봉 운반용기 등 제조공정 일체를 국산화했다. 현재 국내에는 이리듐 -192 선원을 내장한 근접 방사선 치료기 약 60여개가 임상에서 사용되고 있으며 3∼6개월마다 새로운 선원으로 교체해야 하는 상황이다. 교체 비용은 선원 1개당 약 1만달러로 지금까지는 전량을 외국 회사에 의존해 왔다. 한국원자력연구소는 수입 제품의 절반 이하 가격으로 이리듐-192 선원을 공급함으로써 대국민 의료 서비스의 질을 향상시키고 ‘하나로’ 원자로 및 동위원소 생산시설의 활용도를 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. /economist@fnnews.com 이재원기자
2007-03-20 17:43:26한국원자력연구소가 자궁경부암을 치료하는 방사선 근접치료용 ‘이리듐(Ir)-192 소형 밀봉 방사선원’을 국산화하는데 성공했다고 20일 밝혔다. 방사선 근접치료란 종양 조직 자체나 조직 강내에 방사성동위원소를 직접 집어넣어 정상 조직의 손상을 최소화하면서 종양에만 집중적으로 방사선을 조사하는 방법으로 치료효과가 높다. 우리나라는 그동안 방사선량이 높은 이리듐-192 선원(방사선을 방출하는 물질)과 이를 담는 캡슐의 밀봉을 유지하는 기술이 없어 전량 수입에 의존해왔다. 한국원자력연구소는 ▲이리듐-192를 생산하기 위해 원자로에서 중성자를 조사하기 위한 중성자 조사 기술 및 장비 ▲제품 어셈블리 가공기술 ▲레이저를 활용한 정밀 밀봉 용접 조립기술 및 장비 ▲제조된 선원을 안전하게 운송해 치료기에 장착할 수 있는 밀봉 운반용기 등 제조공정 일체를 국산화했다. 현재 국내에는 이리듐 -192 선원을 내장한 근접 방사선 치료기 약 60여개가 임상에서 사용되고 있으며 3∼6개월마다 새로운 선원으로 교체해야 하는 상황이다. 교체 비용은 선원 1개당 약 1만 달러로 지금까지는 전량을 외국 회사에 의존해왔다. 한국원자력연구소는 수입 제품의 절반 이하 가격으로 이리듐-192 선원을 공급함으로써 대국민 의료 서비스의 질을 향상시키고 ‘하나로’ 원자로 및 동위원소 생산시설의 활용도를 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. /economist@fnnews.com 이재원기자
2007-03-20 13:02:00【파이낸셜뉴스 전주=강인 기자】 전북특별자치도가 수소경제 기업 지원을 강화하고 있는 가운데 완주에 600억원대 투자가 진행된다. 전북도는 12일 완주군, 완주테크노밸리와 함께 수소전문기업 ㈜아헤스와 투자협약을 체결했다. 투자 협약식에는 김관영 도지사와 유희태 완주군수, 최충식 완주테크노밸리 대표, 이중희 ㈜아헤스 대표 등이 참석했다. 아헤스는 그린수소 선도 기업으로 차별화된 친환경 수전해 설비를 생산하는 기업이다. 수전해 설비는 대부분 수입산으로 고가의 귀금속인 백금(Pt), 이리듐(Ir) 등을 촉매로 사용해 가격이 비싸고 주기적 교체가 필요하다. 아헤스는 값싸고 내구성 강한 비귀금속 신소재 촉매를 개발·적용한 수전해 장치를 특허 출원한 상태다. 아헤스는 향후 3년간 공장 설립과 생산설비 구축에 총 603억원을 투입, 국내외 시장 수요에 대응한다. 올해 말부터 공장 가동을 시작해 인도 수출 계약 물량 등에 대응할 계획이다. 아울러 연구개발, 생산 부문의 신규고용도 향후 5년간 100명 이상 채용할 계획이다. 일자리 창출에도 긍정적 효과가 기대된다. 또 이날 인도 그린수소 생산 기업인 GH2 Solar Ltd.사와 아헤스, 전북자치도 간의 업무협약도 이뤄졌다. 인도 에너지공사로부터 525MW 규모 수전해 제조 입찰을 따 낸 GH2 Solar는 아헤스가 제조한 수전해 스택을 사용해 인도의 그린수소 생산 목표 달성에 기여하겠다는 목표다. 아헤스, GH2 Solar와 함께 참석한 영국의 Rhizome Energy사는 인도에 합작 수전해 회사를 설립할 예정으로 그린수소 시장 확대를 위해 서로 협력기로 했다. 이중희 아헤스 대표는 “전북자치도와의 긴밀한 협력을 통해 수소 수전해 분야에서 세계 최고 수준의 제품을 생산해 낼 것”이라며 “이번 투자를 계기로 국내외 그린수소 시장에서 전북의 위상이 한층 높아지도록 노력하겠다”고 전했다. 김관영 전북도지사는 “도내 수소산업 경쟁력을 강화하고 전북이 미래 수소산업 기지로 도약하는데 더욱 노력하겠다”면서 “앞으로도 청정에너지 분야의 우수 기업이 전북에 안착할 수 있도록 행·재정적 지원을 아끼지 않겠다”고 환영했다. kang1231@fnnews.com 강인 기자
2025-03-12 16:45:08[파이낸셜뉴스] 부산대학교 연구진이 물에서 수소를 뽑아내는 수전해 기술과 수소 연료전지에 사용하는 새로운 촉매를 개발했다. 지금까지 촉매로 쓰여 온 비싼 백금에 저렴한 니켈을 섞은 나노 크기 입자를 그래핀에 결합한 것으로, 기존 촉매보다 최대 3배나 효율적이면서도 10시간 이상 성능을 유지해 차세대 에너지 기술의 혁신이 기대된다. 부산대학교는 재료공학부 이정우 교수팀이 백금 기반 합금의 정밀한 조성 변화를 통한 격자 수축 제어와 나노합금 입자-그래핀 이종원소 결합을 통해 높은 전류 밀도를 갖는 수전해 및 수소 연료전지용 촉매 개발에 성공했다고 6일 밝혔다. 수소 에너지는 높은 질량당 에너지 밀도와 연소 시 이산화탄소 미발생과 같은 특성으로 차세대 신재생 에너지로 주목받고 있다. 이 중 수전해 및 연료전지 기술은 탄소 기반의 물질이 사용되지 않으면서 수소 에너지를 생산하고 활용할 수 있는 기술로, 많은 연구가 이뤄지고 있다. 현재는 백금(Pt) 나노 입자가 담지된 비정질 탄소 재료인 백금·카본 블랙을 상용 촉매로 활용하고 있다. 하지만 백금·카본 블랙은 백금의 비싼 가격과 적은 매장량 및 카본 블랙의 낮은 장기 안정성으로 인해 대량 생산과 상용화 측면에서 어려움을 겪고 있다. 이에 부산대 이 교수팀은 백금의 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 활성과 내구성을 향상시키기 위한 연구를 진행했다. 니켈(Ni)은 전이금속 중 하나로, 백금 가격의 약 1/2000 정도이며 백금과 혼합해 합금 형태로 제작 때 수소 생산과 산소 환원에서의 시너지를 일으켜 보다 높은 촉매 특성을 보여주는 것으로 알려져 있다. 연구진이 개발한 소재는 마이크로파를 활용한 용액상 공정으로, 수 나노 크기의 균일한 백금-니켈 나노합금 입자를 질소 도핑된 그래핀의 표면에 담지하는 방식으로 제작됐다. 이는 수 분 내에 수 나노 크기의 균일한 소재 제작이 가능해 공정 과정에서 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다. 제작된 촉매는 최적화된 백금-니켈 조성을 갖는 합금 클러스터와 질소 도핑된 그래핀 간의 시너지로 인해 기존에 사용되는 백금·카본 블랙 소재보다 산소 환원 반응에서 약 3배 이상 향상된 비면적 활성도 및 질량 활성도를 보였으며, 수소 생산 반응에선 약 2배 정도 향상된 비면적 활성도, 질량 활성도를 나타냈다. 최종 구현된 촉매는 아연-공기 2차 전지에 적용됐다. 기존 상용 백금 및 이리듐 촉매보다 약 2배 이상 높은 전력 밀도를 나타냈다. 10시간 이상 충·방전 시에도 초기의 활성을 유지했다. 또 연구팀은 촉매 표면에서 생산된 수소를 포집해 시간에 따른 부피 변화를 관찰했으며, 일정 시간마다 포집된 수소의 양이 선형적으로 증가해 안정적으로 수소 생산이 가능하다는 것을 확인했다. 이런 결과들을 바탕으로 제작된 촉매는 차세대 에너지 생산 및 활용 소재로서 수소 자동차, 버스 등의 모빌리티나 발전 시스템 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망된다. 이 교수는 “이번 연구 결과는 마이크로파 가열을 통한 고속 합성 공정과 백금-니켈 조성 변화를 통해 격자 수축 정도를 제어하고 나노합금 클러스터-질소 결합 형성으로 기존의 백금 촉매보다 높은 촉매 활성을 달성했다는 데 의미가 있다”며 “빠르고 간단한 촉매 제작 공정과 더불어 백금 사용량을 줄이면서 동시에 촉매의 활성과 내구성을 향상시킬 수 있기 때문에 앞으로 많은 활용이 기대된다”고 말했다. 이 논문은 세계적인 과학저널 '에코맷 (EcoMat)' 2024년 12월 15일자에 게재됐다. 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다. bsk730@fnnews.com 권병석 기자
2025-01-06 09:17:49[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단이 그린수소 1㎏ 생산 비용을 1달러까지 낮출 시기를 앞당길 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 이 기술로 재생에너지로 물에서 수소를 뽑아내는 수전해 장치의 핵심 소재인 이리듐을 현재 사용하는 것보다 단 5%만 사용하고도 1.5배 많은 수소를 생산해냈다. 또한 내구성도 8배 이상 뛰어나 이 기술을 적용하면 대형 수전해 설비 구축 가격을 낮추는 데 기여할 것으로 보인다.조 바이든 대통령이 지난 2022년 8월 발표한 인플레이션 감축법 (IRA)은 탄소배출을 줄이는 청정에너지 기술을 지원하고 있다. 이중 재생에너지를 사용해 생산하는 수소가 대표적이다. 미국 에너지부에서는 이를 뒷받침하기 위해 2030년까지 수소 1㎏ 생산비용을 1달러로 낮추겠다는 '수소 1달러 프로젝트'를 추진중이다. 현재 그린수소 생산단가가 주요선진국은 3~10 달러이며, 우리나라는 10달러 수준이다. 수전해장치의 고분자 전해질막에 사용하는 고가의 이리듐이 생산단가를 낮추지 못하는 요인중 하나다. KIST 김명근·유성종 박사팀이 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 대폭 줄인 촉매를 개발했다. 이리듐을 붙잡고 있는 탄소 지지체는 기존의 경우 수전해 반응때 사용하는 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 구조가 손상되거나 부서질 수 있어 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 연구진은 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 만들었다. 그 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 부식 반응을 막았다. 또한, 촉매 내구성을 향상시키기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄을 도입했다. 셀레늄이 얇은 수산화물 층으로 이리듐을 코팅해줌으로써 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 떨어져 나가는 것을 막았다. 연구진은 이리듐이 1㎠당 1~2㎎ 들어간 촉매와 1㎠당 0.05㎎을 사용한 새 촉매를 상용화된 수전해 장치에 적용해 테스트했다. 그결과 새 촉매가 이리듐을 적게 사용했음에도 수소를 1.5배 더 생산해냈다. 또한 370시간 동안 장치를 가동해도 성능이 떨어지지 않아 기존 것보다 8배 이상 높은 내구성을 보였다. 김명근 박사는 "저이리듐 촉매를 만들기 위한 지지체 개발과 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다"며, "대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것"이라고 말했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 촉매를 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 표지논문(Front Cover)으로 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자
2024-11-03 11:02:40[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀은 물을 수소와 산소로 전기분해하는 수전해 장치의 생산 단가를 낮출 수 있는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 이 기술은 물을 전기로 분해하는 장치 속에 들어가는 값비싼 이리듐을 20분의 1만 사용하고도 현재 사용하고 있는 것보다 4배 이상의 성능을 낼 수 있다. 물을 전기분해하는 수전해는 현재 가장 친환경적인 그린수소 생산방법이지만 이 장치를 만드는데 백금과 이리듐 등 값비싼 금속이 들어가 생산비용이 높다. 그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비 2~3배 높은 생산 가격을 낮춰야 하며, 이를 위해서는 수전해 장치 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이는 것이 중요하다. 연구진은 올록볼록한 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 즉 장치에 들어가는 양극 촉매를 나노구조 조절을 통해 이리듐 사용량을 대폭 줄였다. 이를 통해 전극 내부가 다양한 형태의 나노크기의 구멍이 있는 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 수소·산소 기체 이동이 쉽게 만들었다. 그 결과, 전극 내 작은 구멍을 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 장치가 빠르게 작동했다. 연구진은 현재 사용하고 있는 촉매의 성능과 비교하기 위해 이번에 개발한 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 넣어 실험했다. 촉매 사용량에 따른 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 20분의 1 수준인 1㎠당 0.05㎎으로 줄였음에도 1.7 V 기준으로 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 보였다. 또한, 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 작동 특성을 확보했다. 이는 이리듐을 적게 사용하고도 기존 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산 단가를 낮출 수 있다는 것을 뜻한다. 연구진은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일하고 넓은 크기의 전극 제작 공정에 관한 연구를 진행할 예정이다. 김진영 박사는 "물리적 구조를 변형해 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다"며, "이 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 기술을 세계 최고의 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자
2024-09-29 10:37:10