수소(Hydrogen)는 이상적인 미래 연료로 인식되어왔다. 연료전지(Fuel Cell)를 이용하여 전기를 만들거나 연소를 통해 열을 만들든 간에 생산되는 부산물은 오직 물이며 지구온난화에 영향을 주는 이산화탄소는 배출되지 않는다. 수소는 휘발유와 같이 에너지를 저장하는데 활용될 수 있다. 수소는 보통 전기를 이용하여 물을 분해함으로써 얻어진다. 미래 수소 경제(Hydrogen Economy) 구현에 있어 걸림돌이 되는 것에는 물 공급이 제한을 받고 있다는 점도 있지만 물 분해 과정에서 백금이나 값비싼 금속들이 사용된다는 문제도 있다. 이들 금속들은 산화에 대해 저항력이 있어야 하며, 백금, 팔라듐, 이리튬, 금과 같은 가치 있는 금속들이 대거 포함되어 있다.
미 위스콘신대학 메디슨캠퍼스(University of Wisconsin-Madison)의 화학과 교수인 Song Jin은 “수소 반응의 개선을 위해서는 백금이나 다른 값비싼 금속을 대체할 수 있는 경제적인 물질이 필요하다”고 밝혔다. Jin 교수의 연구진은 Nature Materials 저널을 통해 일반원소인 인, 황 및 코발트를 포함한 수소 제조용 촉매에 대한 연구를 발표하였다. 이들 금속은 백금과 비교했을 때 1,000배 정도 저렴하다.
촉매는 화학반응을 시작하는데 있어 필요한 에너지를 줄여주는 역할을 한다. Jin 교수는 새로운 촉매가 백금과 거의 유사한 수준의 효율을 보여주었으며, 지금까지 보고된 경제적인 금속 촉매 중에서 가장 우수한 촉매 특성을 보여주었다고 설명하였다. 연구진은 황철광(Iron Pyrite)이나 경제적이면서 풍부한 다른 물질에 초점을 두었다. Jin 교수와 그의 학생인 Miguel Cabán-Acevedo, Michael Stone은 철을 대체하여 코발트광(Cobalt Pyrite)을 제조하였으며, 여기에 인을 추가하여 새로운 촉매를 만들 수 있었다. 그리고 이들 촉매가 높은 성능을 보여준다는 것을 발견하게 되었다.
Jin 교수는 물을 수소와 산소로 분리하는데 있어 일반적으로 전기가 사용되고 있지만 태양광을 사용하여 직접 물을 분리하는 것에 대해 많은 관심이 있다. 이에 새로운 촉매는 태양광에서 얻어지는 에너지를 적용할 수도 있다. Jin 교수는 “연구진은 개념입증을 위해 코발트 촉매와 태양에너지를 이용하여 수소를 생산하는 장치를 선보였다. 이러한 장치는 경제적인 촉매를 사용하고 태양광에서 직접 수소를 생산함으로써 효율 면에서 최고의 시스템이라 할 수 있다”고 설명하였다.
Jin 교수는 “아직 실험실 단계에서만 연구가 진행되었기 때문에 많은 질문들이 남아있다. 전체 시스템과 비교하여 촉매 비용을 고려해야 한다. 언제나 상충관계가 존재한다. 전기 분해를 위해 최고의 전해조(Electrolyzer)를 만들고자 한다면 여전히 백금을 사용해야 할 것이다. 그렇지만 어느 정도의 성능 저하를 감수하고 비용과 규모 확대에 더 많은 신경을 쓴다면 새로운 촉매가 적합할 것”이라고 설명하였다.
Jin 교수는 “화석연료를 재생가능 태양에너지로 대체하는데 있어 가장 큰 전략은 대규모로 진행하는 것이다. 지구온난화 문제를 다루고자 한다면 광범위하게 생각해야 한다. 전기를 이용해서 수소를 만들던지 태양광을 이용해서 직접 수소를 생산하든지 간에 그 정도의 수소를 생산하기 위해 1평방마일 정도의 장치가 필요하지만 이에 대응하는 백금이 충분하지 않다는 점을 알아야 할 것”이라고 말했다.
Discovery of a highly efficient catalyst eases way to hydrogen economy
Hydrogen could be the ideal fuel: Whether used to make electricity in a fuel cell or burned to make heat, the only byproduct is water; there is no climate-altering carbon dioxide.
Like gasoline, hydrogen could also be used to store energy.
Hydrogen is usually produced by separating water with electrical power. And although the water supply is essentially limitless, a major roadblock to a future "hydrogen economy" is the need for platinum or other expensive noble metals in the water-splitting devices.
Noble metals resist oxidation and include many of the precious metals, such as platinum, palladium, iridium and gold.
"In the hydrogen evolution reaction, the whole game is coming up with inexpensive alternatives to platinum and the other noble metals," says Song Jin, a professor of chemistry at the University of Wisconsin-Madison.
In the online edition of Nature Materials that appears today, Jin's research team reports a hydrogen-making catalyst containing phosphorus and sulfur -- both common elements -- and cobalt, a metal that is 1,000 times cheaper than platinum.
Catalysts reduce the energy needed to start a chemical reaction. The new catalyst is almost as efficient as platinum and likely shows the highest catalytic performance among the non-noble metal catalysts reported so far, Jin reports.
The advance emerges from a long line of research in Jin's lab that has focused on the use of iron pyrite (fool's gold) and other inexpensive, abundant materials for energy transformation. Jin and his students Miguel Cabán-Acevedo and Michael Stone discovered the new high-performance catalyst by replacing iron to make cobalt pyrite, and then added phosphorus.
Although electricity is the usual energy source for splitting water into hydrogen and oxygen, "there is a lot of interest in using sunlight to split water directly," Jin says.
The new catalyst can also work with the energy from sunlight, Jin says. "We have demonstrated a proof-of-concept device for using this cobalt catalyst and solar energy to drive hydrogen generation, which also has the best reported efficiency for systems that rely only on inexpensive catalysts and materials to convert directly from sunlight to hydrogen."
Many researchers are looking to find a cheaper replacement for platinum, Jin says. "Because this new catalyst is so much better and so close to the performance of platinum, we immediately asked WARF (the Wisconsin Alumni Research Foundation) to file a provisional patent, which they did in just two weeks."
Many questions remain about a catalyst that has only been tested in the lab, Jin says. "One needs to consider the cost of the catalyst compared to the whole system. There's always a tradeoff: If you want to build the best electrolyzer, you still want to use platinum. If you are able to sacrifice a bit of performance and are more concerned about the cost and scalability, you may use this new cobalt catalyst."
Strategies to replace a significant portion of fossil fuels with renewable solar energy must be carried out on a huge scale if they are to affect the climate crisis, Jin says. "If you want to make a dent in the global warming problem, you have to think big. Whether we imagine making hydrogen from electricity, or directly from sunlight, we need square miles of devices to evolve that much hydrogen. And there might not be enough platinum to do that."
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