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‘스테인리스 스틸’의 재조명, 인공광합성 물 분해 촉매 소재로KIST 민병권 교수, 저비용의 스테인리스 기반의 전극 제작기술로 인공광합성 기술 상용화 기대
박현진 기자 | 승인 2017.09.11 14:56
KIST 청정에너지연구센터 민병권 센터장(사진:KIST)

스테인리스 스틸(Stainless steel)은 우리 일상생활에서 자주 사용되는 친숙한 금속 소재이다. 대부분의 주방 용품들이 이 소재로 만들어지고 있을 뿐 아니라 최근에는 자동차, 항공우주 구조물, 건설재료 등으로 그 응용 범위를 넓혀가고 있다. 

스테인리스 스틸은 강철의 녹, 부식을 막기 위해 탄소, 크롬, 니켈 등 다양한 원소들을 넣어서 만든 합금이다. 따라서 첨가해 주는 원소의 종류, 양에 따라 현재 다양한 종류의 스테인리스 스틸이 생산되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사팀은 지금까지 주로 강철의 녹을 방지하는데 사용되던 스테인리스 스틸을 전혀 새로운 기술 분야, 즉 인공광합성 물 분해 촉매로 응용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 

인공광합성은 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 미래 기술로서 오랫동안 꿈의 기술로 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 기후변화 대응형 고부가가치 화합물 제조 방법이 필요한 현 시점에서 인공 광합성 기술은 매우 중요한 기술로 여겨지고 있으나 아직까지 전 세계적으로 초보적인 기술 단계에 머무르고 있다.

인공광합성 기술에는 크게 두 가지 중요 촉매 기술이 필요한데 첫 번째가 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 촉매이고 또 다른 방법은 이산화탄소를 환원시켜 화합물을 만드는 촉매 기술이다. 이 중 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 반응이 더 어려운 기술이며 아직까지 고성능의 촉매가 개발되지 못한 상태이다. 

일반적 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습 (우측 하단)과 개발된 물 산화 촉매 활성이 높은 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습 (좌측 상단). 두 가지 포일로 만들어진 전극을 물 분해 반응에 적용했을 때 얻어진 전류-전압 그래프 (300 mV 이상의 과전압이 줄어든 것을 확인할 수 있음)

기존에 개발된 수전해 촉매의 경우, 강알카리성 수용액에서는 잘 작동하지만 인공광합성을 할 수 있는 중성 수용액 조건에서는 촉매의 성능이 현저하게 떨어질 뿐만 아니라 현재까지 저가 소재의 촉매가 개발되지 못한 문제점을 지니고 있었다.

KIST 연구진은 스테인리스 스틸에는 여러 원소들이 섞여 있고 이 중에는 물분해 촉매 활성이 큰 원소도 포함되어 있다는 점에 착안하여 이 원소들을 표면으로 석출시킴으로써 아주 쉽고 간편한 방법으로 고성능의 물분해 촉매를 제조하였다. 

연구에 사용된 스테인리스 스틸은 AISI(미국철강협회) 304 제품(니켈 10%, 크롬 20% 포함)으로 강알카리 수용액(수산화나트륨)에서 높은 전류(1∼6 A/cm2)를 흘려주게 되면 철, 니켈, 크롬 등 스테인리스 스틸을 이루는 원소들이 녹아져 나오게 되고 이 중 니켈이 표면에 재침전 되면서 ‘NiOOH’ 라는 물질이 스테인리스 스틸 표면에 형성되게 된다. 

이 물질이 물 분해에 아주 효과가 좋은 촉매로 작용하게 되며 이렇게 만들어진 스테인리스 스틸 촉매는 중성 전해질에서 지금까지 알려진 촉매 중 가장 높은 효율을 보여 주었다. 특히 이렇게 만들어진 촉매는 궁극적으로 중성 수용액 조건에서 작동하는 인공광합성 시스템에 활용되어 효율과 내구성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

KIST 민병권 박사는 “이번 스테인리스 스틸 소재 기반 물 분해 촉매 기술은 저가 소재와 간단한 공정을 기반으로 대면적화, 대량생산에 유리하다.”고 말하며 “향후 인공 광합성 기술의 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

박현진 기자  nwngm@naver.com

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