[시사뉴스 정은주 기자] 부산대학교 연구팀이 높은 전도성을 가진 전도성 고분자인 PANI(polyaniline, 폴리아닐린) 나노와이어와 최적화된 바이메탈 인산염을 합성해 total water splitting(물에서 산소와 수소를 동시에 생성해낼 수 있는 물 완전 분해기술)이 가능한 전기분해 장치를 개발했다.

기존 전극재료의 효율과 안정성을 동시에 개선한 이번 연구는 차량용 배터리와 유사한 재료인 Mn(망간)과 Co(코발트)를 사용해 다가온 전기자동차 시대의 폐배터리 문제에도 큰 기여를 할 것으로 전망된다.

부산대학교(총장 차정인)는 전기공학과 칸다사미 프라바카르(Kandasamy Prabakar) 교수와 재료공학부 오이 룬 리(Oi Lun Li) 교수, 전기공학과 데비프라사스 친나두라이(Deviprasath Chinnadurai) 박사 후 연구원, 재료공학부 라즈모한 라젠디란(Rajmohan Rajendiran) 박사 후 연구원 연구팀이 고효율 total water splitting 기술에 사용되는 루티늄이나 이리듐보다 상대적으로 경제적인 재료인 Mn(망간)과 Co(코발트), 높은 전기전도성을 지닌 PANI 나노와이어를 주재료로 사용해 고효율과 안정성을 가지는 완전 물 분해 전해조(total water splitting electrolyzer)로 망간-코발트 바이메탈 인산염인 ‘Mn3-xCox(PO4)2·3H2O’를 합성했다고 19일 밝혔다.

이번 연구성과는 세계적으로 권위 있는 학술지인 '어플라이드 카탈리시스 비-인바이론멘탈(Applied Catalysis B-Environmental)'에서 그 탁월함을 인정받아 지난 9월 5일자에 게재됐다.

 
연구팀은 부산대 4차 산업혁명 ICT 창의융합 미래인재 교육 프로그램인 BK21PLUS 및 BK21FOUR의 지원을 받아 해당연구를 수행했다.

이번 연구는 수소(H2) 생산의 필요성에서 출발했다. 수소는 현재 풍부하면서도 재사용 가능하고 에너지 효율이 아주 높다는 점에서 유망한 미래 에너지로 부상하고 있다. 그러나 이용 가능한 형태로 수소를 생산하는 것은 전 세계 연구자들에게 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 

전기차 폐배터리 이슈도 중요하게 작용했다. 전기차 배터리의 수명은 5~6년이며 수명이 다하면 그 재료를 분해해 재활용 또는 재사용해야 한다. 대부분의 배터리는 Mn-Co 복합 재료로 만들어지므로 다른 물질을 분리한 후 Mn과 Co를 재료로 사용하는 이번 연구의 에너지 변환 시스템에 적용할 가능성도 있었다.

이러한 이유로 연구팀은 간단한 열수 합성 전략으로 상대적으로 경제적인 금속에 기반한 인산염 전기 촉매를 사용해 매우 효과적인 전기 촉매 물 분해 장치를 개발했다. 

내구성과 지속 가능성을 보장하기 위해 폴리머 지지체 접근 방식을 사용했으며, 이는 안정적인 촉매 활성과 함께 향상된 장치의 내구성을 이끌어냈다. 연구팀이 제작한 장치는 약 1.54V의 매우 낮은 셀 전압에서 수소와 산소를 동시에 생성할 수 있다.

연구팀은 Mn과 Co원자의 화학량적인 비율에 따른 전기 촉매의 성능을 세심하게 비교했다. 그 결과 Mn3+ 및 Co2+/Co3+가 풍부한 촉매 표면이 HER(Hydrogen Evolution Reaction, 수소생성) 및 OER(Oxygen Evolution Reaction, 산소생성)을 모두 크게 향상시키는 것을 발견했다.

연구팀은 알아낸 최적화된 비율에 따라 TWS(Total Water Splitting) 적용을 위해 표면적이 향상되고 높은 전기전도성을 가지는 PANI 나노와이어를 전기증착시킨 바이메탈 인산염(Mn3-xCox(PO4)2.3H2O)이 증착된 니켈폼을 제작해 그 성능 및 특성을 확인했다. 
 

이번 논문에서 Mn3-xCox(PO4)2·3H2O의 우수한 물 분해 활성도는 다음과 같은 요인으로 설명할 수 있다.

  (1) 바이메탈 인산염(Bi-metallic phosphates)은 고활성 전이 금속 이온의 시너지 효과로 인해 고유 촉매 활성을 증가시킨다. 
  (2) 해당 촉매의 계층적 구조는 촉매 표면의 ‘거품 차폐 효과’를 감소시킨다. 이는 TWS이 더욱 활발하게 일어나는 데 큰 역할을 한다.
  (3) 2가 Co원자는 *OOH 형성의 과전위를 낮춰 OER 역학을 향상시킨다.
  (4) 촉매 표면의 더 높은 Mn3+ 및 Co2+/Co3+ 활성화 밀도는 OER 및 HER 모두에서 더 빠른 반응 메커니즘 및 전하 이동 속도를 야기한다. 
  (5) PANI 나노와이어 층은 전기전도성을 향상시키고 핵 생성 사이트로 작용해 HER 및 OER 반응 메커니즘 모두에 긍정적인 영향을 준다.

프라바카르 교수는 “이번 논문의 OER 및 HER 역학 연구에서 확인할 수 있듯이, 최고의 조성으로 튜닝된 TWS electrolyzer(전해조)는 탁월한 안정성과 함께 우수한 성능을 보였다”고 강조했다. 

그는 “미래에는 연료 전지 기반 에너지 공급업체에 대한 수요가 증가할 것”이라며 “연구팀이 이번에 개발한 물질은 청정 수소 에너지 생산을 위한 전극물질에 있어 유력한 후보가 될 수 있다. 장치의 성능을 개선하기 위해 약간의 추가 수정을 가하면, 충분히 대규모 수소 생산을 위한 고급 물 분해 장치도 만들 수 있는 잠재력이 있다”고 내다봤다.

또한 “이번 연구에 사용된 Mn-Co 합성물은 차량용 배터리에 주로 사용되는 재료와 같으며, 만약 차량용 폐배터리에서 해당 물질을 분리해 낼 수 있다면, 환경 친화적이면서 효과적으로 폐배터리를 재사용 할 수 있게 된다”고 덧붙였다.