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2020년 12월 16일 (수) 19:18 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 계산화학을 이용한 염기성 조건에서 전기화학적 수소 생성 반응에 효율적인 은 나노 촉매 설계

영문 : Computational design of ligand-protected Ag nanocluster catalysts for electrochemical hydrogen evolution reaction in alkaline medium

과제 팀명

Cascade

지도교수

유종석 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 최*지(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20153400** 이*우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 수소 기체(H2)를 전기화학적 방식으로 생산

- 25개의 은(Ag) 원자에 18개의 리간드가 둘러싸인 구조를 기반으로, 여러 금속이 도핑(doping)된 형태의 촉매 (MAg24(SR)18)

- VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)과 ASE(Atomic Simulation Environment)를 이용해 촉매를 구현하고 반응의 에너지를 계산

- 수소 기체를 효율적으로 생산할 수 있는 전기화학촉매 개발

개발 과제의 배경

- 수소 기체(H2)는 연료로 사용될 때 이산화탄소 등 대기 오염 물질을 배출하지 않고 저장 및 이동이 용이하며, 높은 활용도를 가져 최근 화석 연료를 대체할 에너지로 주목받고 있다. 그러나 현재 세계 수소 기체 생산량의 90% 이상이 화석 연료를 이용해 만들어지는데, 신재생 에너지로부터 오는 전기를 이용하여 전기화학적 방식을 통해 수소를 생산하면 화석 연료의 사용 없이 친환경적 수소 생산이 가능하다.

- 전기화학적으로 수소를 생산하기 위해 기존에 이용되던 PEM(Proton Exchange Membrane) 시스템은 강한 산성도로 인한 부식과 안정성 문제, 이로 인한 유지비용 문제를 갖고 있다. 또한 기존에 수소 생성 반응에 활성이 높기로 잘 알려진 촉매로는 백금(Pt) 촉매가 있는데, 이는 촉매 활성은 높지만 가격 면에서 큰 단점을 갖는다. 기존 시스템의 문제를 해결하기 위해서는 염기성 조건에서 사용될 수 있으면서 백금 촉매에 비해 경제적인 촉매를 개발하는 것이 중요하다.

- 그러나 염기성 조건에서의 수소 생성 반응에 대한 촉매 활성은 산성 조건에서의 활성에 비해 전반적으로 낮은 경향을 보이는데, 이는 산성 조건에서는 용액 내 존재하는 다량의 프로톤을 통해 반응이 진행되는 것과는 달리 염기성 용액에서는 용액 내의 물이 분해되면서 생성되는 프로톤을 이용하기 때문이다. 따라서 염기성 용액에서는 물이 분해되는 과정에 필요한 에너지로 인해 전반적인 촉매 활성이 낮아지게 된다.

- 나노 입자 촉매는 금속 벌크 촉매에 비해 촉매 활성이 높으며 표면적이 커 효율적인 촉매를 설계하는 데에 큰 장점을 갖는다. 그 중에서도 금(Au) 원자 25개와 이를 둘러싼 18개의 비금속 리간드로 이루어진 나노 입자는 그 구조가 안정하다는 결과가 보고되어 해당 물질의 촉매 활성도 관련 연구가 진행되어 왔다. 최근 위 나노 입자와 동일한 구조의 은(Ag) 나노 입자 역시 안정성이 높다는 선행 연구 결과를 바탕으로 하여 관련 촉매 연구가 활발히 진행 중에 있다.

- 금이나 은 금속 촉매는 백금 계열 금속들과는 달리, 염기성 용액 내에서 물을 쉽게 분해하지 못하기 때문에 금 또는 은으로만 이루어진 촉매는 염기성 용액에서 높은 촉매 활성을 기대하기 어렵다. 따라서 염기성 용액에서 HER에 높은 활성을 갖는 촉매를 설계하기 위해서는 백금 계열 금속의 사용이 불가피하다. 선행 연구 결과에 따르면 금 또는 은 25개로 이루어진 나노 입자에 백금 계열 금속을 도핑하면 중앙 부분에 위치하는 원자만 치환된 형태로 존재하게 되는데, 이러한 기법을 이용하여 새로운 촉매 구조를 설계함으로써 촉매 활성의 증가를 기대할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

- VASP 프로그램과 ASE를 이용하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 등의 금속이 도핑된 은(Ag) 원자 기반의 새로운 나노 촉매 물질을 구현하고, 실제 실험 환경에서 촉매가 어떠한 형태로 존재하는지 분석한다.

- 구현된 촉매 구조에서 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 활성 위치를 예측하고 그 위치에 수소 원자가 흡착되었을 때의 자유 에너지를 계산한다.

- 반응 중간체의 흡착 에너지를 비교함으로써 전기화학적 수소 생성 반응에 대한 촉매적 활성을 열역학적으로 분석한다.

- 수소 생성 반응에 높은 활성을 가지면서 가격 면에서 합리성이 높은 새로운 촉매 구조를 얻는다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 대안으로 수소에너지가 주목받고 있음. 하지만, 현재 수소는 90% 이상 석유나 천연가스로부터 수증기 개질하여 제조하고 있어 이산화탄소 등의 환경오염 물질이 필연적으로 발생하는 문제점을 가짐. 따라서 환경 친화적으로 수소를 생산할 수 있는 전기화학적 물 분해 수소 생산 기술에 대한 중요성이 높아지고 있음. 이는 태양광, 풍력과 같은 대체 에너지를 전기에너지 공급원으로 사용하여 친환경적인 에너지 고리를 이룰 수 있다는 장점이 있음. 그러나 물을 분해하여 수소를 생산하기 위해서는 상당한 에너지가 필요하므로 적은 에너지로 연속적으로 물을 분해하기 위한 촉매에 대한 연구가 진행되고 있음.

◇ 스팀 개질법(Steam reforming) 천연가스 수증기 개질은 수소 생산에서 가장 저렴한 방법이며 대량 생산이 가능한 공정임. 수증기 개질 공정은 천연가스를 개질시킴으로써 수소를 생산하는 반응공정으로 부분 산화 및 자열 개질공정에 비하여 메탄 1몰 당 수소 생산 수율이 가장 높으므로 가장 경제적인 수소 생산 방법임. 그러나 평형 반응에 의한 반응속도가 느리므로 공정규모가 커야 하며 반응 조건 변동에 대한 정상상태로의 응답이 느린 단점이 있음. 그럼에도 불구하고 수증기 개질의 이점은 물과 메탄가스분자에 포함된 수소를 최대한 추출해내는 것에 있음. 이때 진행되는 반응은 주반응인 개질반응과 부반응인 CO 전이반응 두 가지이며 반응식은 아래와 같음.

개질반응은 강한 흡열반응이며 고온 및 저압 조건에 의하여 정반응의 진행이 유리함. 반면 전이반응은 비교적 온화한 발열반응으로 저온이 유리하며, 압력은 거의 영향을 미치지 않음. 반응 조건은 온도가 700~850℃, 압력은 상압 ~40기압정도 이며 이 반응에서 보는 바와 같이 수소는 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되기 때문에 높은 수소 생산 수율이 가능함. 하지만 수소 생성과 동시에 환경오염의 원인이 되는 일산화탄소, 이산화탄소의 발생이 수반됨.

◇ 고체 고분자 전해질(Proton exchange membrane; PEM)을 통한 물 전기 분해법 고체 고분자 전해질(PEM) 수전해 기술은 전해질과 분리막으로서 고체고분자전해질(PEM) 막을 이용하는 기술로 양극, 음극 및 수소이온이 양극에서 음극으로 이동 가능하게 하는 이온 교환막(전해질 기능)으로 구성되어 있음. 고분자막의 안정성에 따라 200℃이하의 운전조건을 갖는 것을 특징으로 함. 귀금속(Pt, Ir, Ru 등)으로 구성된 촉매와 불소계 이오노머(Fluorocarbon-based ionomer) 고분자 고체 전해질이 주로 사용됨. 고전류 밀도의 운전이 가능하여 장치가 컴팩트 하고, 전해셀 및 시스템의 구조가 단순하다는 장점이 있지만, 이온 교환막이 pH 2~4의 강산 전해질이기 때문에 내산성의 귀금속 촉매 사용이 요구됨. 따라서 내산성이 있고, 반응 과전압이 낮으며 가격 경쟁력이 있는 새로운 촉매에 대한 연구가 진행되고 있음.

◇ 알칼라인 수전해를 통한 물 전기 분해법 알칼라인 수전해 기술은 전해질로서 알칼리 수용액(KOH 등)을 이용하고 수소/산소를 분리하기 위하여 별도의 분리막을 사용하는 기술로 100℃이하의 운전조건을 갖는 것을 특징으로 함. 알칼라인 전해질 환경은 고분자 전해질 수전해(PEM)에 필요한 귀금속 촉매가 아닌 가격경쟁력이 있는 니켈(Ni)또는 스테인리스강을 주요 소재로 사용하여 저렴하게 전기분해를 진행할 수 있으며, 긴 시스템 수명(10~20년)을 갖는 장점이 있음. 하지만 고분자 수전해 대비 물 전기 분해에 필요한 운전 전류밀도가 낮아 장치의 부피가 커지며, 고압(~350 bar) 운전에 불리한 단점을 지니고 있음.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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