[글로벌-Biz 24] 새로운 나노 물질로 수소 연료 생산 기술 개발

수소는 탄소제로를 향한 지속가능한 청정 에너지원으로 운송, 발전, 금속 제조 등 다양한 산업에 사용된다. 수소를 저장하고 운반하는 기술은 수소 경제의 필수적인 요소다.

그러나 전통적인 저장· 운송 수단은 비용이 많이 들고 오염되기 쉽다. 과학계는 그 동안 신뢰할 수 있고, 비용이 저렴하며, 간단한 대체 기술을 찾아 왔다. 효율적인 수소 전달 시스템은 전력 사용 산업분야 모두에 필요하기 때문이다.

새로운 나노 물질로 수소 연료를 생산할 수 있는 기술이 발견돼 미국 과학학술지 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’에 실려 주목된다고 사이테크데일리가 26일(현지시각) 보도했다. 수소를 생산해 내는 촉매인 이 나노 물질은 2D 기질에 고정된 니켈 금속의 작은 군집으로 만든다.

로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 랩)의 연구팀은 액체 화학 운반체에서 수소 원자를 제거하는 반응을 깨끗하고 효율적으로 가속화할 수 있는 나노 물질 촉매를 발견했다. 이 물질은 수소를 다양한 용도로 사용할 수 있는 에너지원으로 만드는 데 도움이 될 것이라고 한다.
이 연구을 이끈 책임자인 제프 어반은 "재생 에너지 연료에 대해 우리가 실험했던 다른 니켈 촉매보다 더 높은 활성도를 가진 촉매로 이 나노 물질을 사용할 수 있다"고 말했다.

이 연구는 미국 수소원료연구컨소시엄(HyMARC)의 프로젝트로 진행됐다. 컨소시엄을 구성하고 있는 다섯 개의 국립 연구소는 고체 수소 저장 물질의 기술 장벽을 해소한다는 목표로 연구를 진행하고 있다. 이번 연구 결과는 여러 산업 부문에 걸쳐 저렴한 수소 생산, 저장, 분배 및 활용을 위한 후속 연구 및 프로젝트에 직접 반영될 예정이다.

어반과 팀이 개발한 촉매는 그 자체는 소비되지 않고 화학 반응 속도를 증가시킨다. 촉매는 특정 분자를 안정된 위치에 고정시키거나 중요한 단계가 안정적으로 완료될 수 있도록 하는 매개체 역할을 한다.

액체 운반체로부터 수소를 생산하는 화학 반응의 경우, 가장 효과적인 촉매는 귀금속으로 만들어진다. 그러나 이러한 촉매는 고비용 및 저농축성이 문제로 지적됐으며 오염에도 취약했다. 일반적인 금속으로 만들어진 값 싼 촉매들은 효과적이지도 않고 덜 안정적이기 때문에 수소 생산에서는 사용되지 않았다.

금속 촉매의 성능과 안정성을 개선하기 위해 어반과 팀은 붕소와 질소로 만들어진 2D 기질에 지름 1.5nm(1nm=10억분의 1미터)의 니켈 성단을 침전시켜 실험을 설계하고 수행했다. 니켈 성단은 고르게 분산돼 고정됐다. 이 과정을 통해 촉매의 전반적인 성능을 크게 향상시켰다.

연구원들은 이 촉매를 활용해 액체 운반체에서 수소를 분리하는 것을 돕는 상대적으로 저렴하고, 쉽게 구할 수 있고, 안정된 물질을 만든다는 목표를 달성했다.

버클리 랩은 앞으로 더 효율적인 촉매 개발을 위해 작은 금속 클러스터를 지원하는 방식으로 2D 기판을 수정하는 작업을 진행할 예정이다. 이 기술은 액체 화학 운반체에서 수소를 추출하는 과정을 더욱 최적화할 것으로 기대된다.


조민성 글로벌이코노믹 기자 mscho@g-enews.com