망간 넣었더니…요소수로 수소 만드는 효율 '쑥'

중국 연구진이 요소(urea)를 전기분해해 수소를 생산하는 효율을 높이는 새로운 촉매를 개발했다.

30일(현지시간) 중국 푸저우대학교의 위에쿤 라이 교수와 젠잉 황 교수가 이끄는 연구팀은 니켈 셀레나이드(NiSe2) 촉매에 망간(Mn)을 주입해 요소 산화 반응(UOR) 성능을 높였다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '중국 촉매학 저널'(Chinese Journal of Catalysis)에 게재됐다.

수소는 탄소 중립을 위한 핵심 청정에너지원으로 꼽힌다. 기존 물 전기분해 방식은 에너지 소모가 크다는 단점이 있다. 요소 전기분해는 더 낮은 전위에서 수소를 생산할 수 있고 산업 및 농업 폐수에 포함된 요소를 처리할 수 있어 대안으로 주목받는다.

하지만 기존 니켈 기반 촉매는 작동 조건에서 구조가 계속 재구성되면서 촉매 성능이 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 망간을 '동적 상전이 유발 인자'로 활용해 이 문제를 해결했다.

연구팀이 개발한 망간-니켈 셀레나이드(Mn/NiSe2) 촉매는 기존 니켈 셀레나이드 촉매보다 요소 산화 반응 활성이 크게 향상됐다. 최적화된 촉매는 1.26V(가역수소전극 기준)의 개시 전위를 보였고 장시간 작동에도 안정적인 전기화학적 성능을 유지했다.

연구팀에 따르면 망간은 니켈 부위의 국소 전자 환경을 조절하고 촉매 표면의 요소 흡착을 강화하며 핵심 결합 분해 단계의 에너지 장벽을 낮춘다. 특히 활성이 높은 감마-산화수산화니켈(γ-NiOOH)과 베타-산화수산화니켈(β-NiOOH) 상 사이의 가역적 순환을 가능하게 한다.

이 과정에서 활성 성분의 비가역적인 과산화를 방지하고 기능적 촉매 부위를 지속해서 재생한다. 연구팀은 이 '동적 상전이 유발' 개념이 다양한 에너지 변환 반응을 위한 적응형 전기 촉매 개발에 새로운 길을 열어줄 것으로 기대했다.