생기원, ‘펄스 레이저’ 기반 친환경 공정 수소생성 촉매 제조기술 개발

2021.05.14 09:16:38

[헬로티]


한국생산기술연구원(이하 생기원)이 건국대학교와 함께 ‘펄스 레이저(Pulsed laser)’를 활용한 친환경 물리공정으로 저비용·고효율의 수소생성 촉매를 제조할 수 있는 원천기술을 개발했다.


환경에 유해한 화학공정 없이 탄소나노튜브(탄소 원자가 둥글게 원통형으로 말려 있는 나선형 구조의 물질) 표면에 펄스 레이저를 쏘아 탄소 이외의 이종원소를 단일원자 형태로 첨가해 촉매를 만드는 방식이다.


이 기술은 2020년 9월 펄스 레이저를 이용해 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점을 제작하는 메커니즘을 규명한 데 이은 후속 성과다.


수소생성 촉매는 물을 전기분해해 친환경적으로 수소를 생산하는 ‘수전해 시스템’에서 수소 생산의 효율과 단가를 좌우하는 핵심요소다. 그런데 현재 개발된 수전해 시스템에서는 백금(Pt), 루세늄(Ru)과 같은 귀금속 촉매를 사용하기 때문에 단가가 높아진다.


그 대안으로, 우수한 전기전도도를 갖는 ‘탄소 소재’에 수소생성 촉매 특성이 우수한 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 이종원소를 단일원자 형태로 첨가해 수전해 특성을 향상시키는 신기술이 개발됐다.


하지만 이 기술의 경우 단일원자가 첨가된 촉매를 제조하기 위해서는 2차 열처리 및 화학공정이 필수적으로 수반되기 때문에 공정시간이 오래 걸리고 고농도 촉매 제조에도 공정상의 어려움이 많았다.


▲원통 구조의 탄소나노튜브 표면에 펄스 레이저를 쏘아 수소생성 촉매를 제조하고 있다. <출처 : 한국생산기술연구원>


생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대학교 미래에너지공학과 한혁수 교수가 이끄는 공동연구팀은 지난 9월 규명했던 메커니즘 원리를 이용, ‘펄스 레이저의 에너지 밀도에 따른 탄소소재의 형상 제어’ 연구로 한 단계 더 발전시켜 수소생성 촉매 제조에 적용했다.


펄스레이저 공정은 화학첨가물이 불필요한 물리공정이기 때문에 기존 화학공정에 비해 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 코발트(Co), 인(P) 단일원자 촉매 제작에 성공했다.


실험결과, 개발된 촉매는 기존 화학공정으로 제조된 단일원자 촉매 대비 도핑 밀도가 약 5.5배의 고농도까지 향상되었으며, 종래의 귀금속 촉매와 비교해도 수소생산 효율이 약 7% 향상된 것으로 나타났다.


향후 상용화될 경우, 기존 화학공정보다 공정시간이 80% 가량 단축되고 촉매 제작비용도 50% 이상 절감할 수 있을 것으로 예상된다.

조상록 기자 mandt@hellot.net
Copyright ⓒ 첨단 & automationasia.net



상호명(명칭) : ㈜첨단 | 등록번호 : 서울,아54000 | 등록일자 : 2021년 11월 1일 | 제호 : 오토메이션월드 | 발행인 : 이종춘 | 편집인 : 임근난 | 본점 : 서울시 마포구 양화로 127, 3층, 지점 : 경기도 파주시 심학산로 10, 3층 | 발행일자 : 2021년 00월00일 | 청소년보호책임자 : 김유활 | 대표이사 : 이준원 | 사업자등록번호 : 118-81-03520 | 전화 : 02-3142-4151 | 팩스 : 02-338-3453 | 통신판매번호 : 제 2013-서울마포-1032호 copyright(c)오토메이션월드 all right reserved