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수소를 분해해 전기를 만드는 Fe기....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-03-13 20:59
조회 2,671
    세계 최초로 수소 분자를 분해해서 직접 전기를 생산할 수 있는 `철 기반 촉매물질(iron-based catalyst)`이 개발되어 화제다. 미국 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory) R. 모리스 블록(R. Morris Bullock) 박사 연구진이 개발한 이 촉매는 값비싼 백금촉매를 대체해서 연료전지 실용화를 앞당길 획기적 전기가 될 전망이다.

    연료전지는 차세대 에너지원 기술로 각광 받고 있는 분야 중 하나이다. 기존 연료 전지기술의 가장 큰 문제점은 전극재료로 값 비싼 백금을 사용한다는 것이다. 하지만 조류(algae) 같은 미생물은 백금이 아닌 철(iron)을 이용하는 수소분해효소로 수소를 분해한다. 수소분해효소는 미생물의 혐기성 대사에 핵심적인 효소로, 자연계에 엄연히 존재하는 천연 수소분해촉매이이다. 따라서 고가의 백금 대신 철이나 니켈처럼 저렴한 금속으로 연료전지 전극을 대체할 가능성은 분명히 있는 셈이다.

    연료전지는 화학연료(chemical fuel; 보통 수소기체)를 사용해 전기를 만들어내는 장치이다. 수소분자는 수소 원자 두 개로 이루어져 있다. 두 수소 원자는 전자 두 개로 이루어진 화학결합으로 서로 연결되어 있다. 화학적 방법을 이용해 수소원자를 연결하는 화학결합을 해체하면 수소 양이온(proton) 두 개와 전자 두 개가 생성된다. 이때 생성되는 수소 양이온을 산소 등의 양이온 수용체(proton acceptor)로 포획해서 제거하면 전자가 이동하면서 전류가 발생한다. 즉, 수소 분자는 화학결합 형태로 전기에너지를 보관하고 있는 셈이다.

    백금은 수소 분자의 화학결합을 분해할 수 있는 능력이 가장 뛰어난 물질이다. 하지만 철이나 니켈처럼 백금보다 저렴한 물질로 연료전지 전극을 바꾸고 싶어도 그 효율이 매우 낮기 때문에 쉽지 않았다. 하지만 이번 발견으로 조만간 백금을 대체할 저렴한 촉매물질이 출현할 가능성이 더 높아졌다. 물론 지금까지 수소분해효소를 모방한 화학적 촉매 시스템이 없었던 것은 아니다. 하지만 직접 수소를 분해해서 전기를 만들어 낼 수 있는 촉매는 없었다.

    수소 원자는 원자핵과 핵 주위를 도는 전자 하나로 이루어져 있다. 식탁에서 자주 먹는 달걀 프라이의 달걀노른자가 수소 원자핵이고 달걀흰자가 핵 주위를 도는 전자가 만들어내는 궤적이라고 생각하면 이해가 쉬울 것이다. 수소 분자는 달걀 프라이 두 개를 한꺼번에 할 때 달걀흰자가 서로 겹쳐진 상태를 상상하면 된다. 즉, 수소분자로부터 전기를 만들어내는 과정은 달걀흰자 부분이 겹쳐진 상태의 달걀 프라이로부터 달걀노른자와 흰자를 분리해내는 과정이라고 이해하면 되겠다.

    PNNL의 블록 박사 연구진은 수소분해효소의 구조를 참고해서 다양한 철 기반 유기금속 화합물을 합성해서 성능이 우수한 물질을 선별한 다음 그 구조를 미세하게 조정하는 과정을 거쳐 상업적 연료전지 촉매에 버금가는 성능을 나타내는 철 기반 수소분해촉매를 발굴해냈다. 연구진이 발굴한 촉매는 달걀에서 노른자와 흰자를 분리하듯이 수소핵과 전자를 서로 다른 방향으로 분리해서 전기를 만들어내는 역할을 한다.(그림 1) 촉매분자 중심에 위치한 철 금속과 펜던트처럼 늘어져 있는 아민(amine) 구조가 수소원자 핵과 전자를 분리해내는 역할을 한다. 촉매가 수소분자를 분해하는 속도를 측정해본 결과 일초에 약 수소 두 분자를 분해할 수 있는 것으로 나타났다. 전기를 만들어낼 수는 없지만 수소분해효소를 모방한 기존 촉매시스템(non-electricity making iron-based competitor)과 비교했을 때 수천 배 이상 빠른 것이다. 연료전지의 효율과 직결되는 과전압(overpotential)을 측정한 결과 160~220mV 정도로 기존 상용촉매와 유사한 수준인 것으로 나타났다. 현재 연구진은 촉매의 작용을 개선하기 위해 속도가 느린 세부단계를 해결할 방법을 모색하고 있다.
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