귀금속 20분의 1 쓰고 성능 4배…수전해 촉매 개발

한국과학기술연구원

연구팀 논문이 실린 국제학술지 'Advanced Energy Materials'의 뒷표지. KIST 제공.

비싼 수전해 촉매의 사용량을 크게 줄일 수 있는 방법이 개발됐다. 그린수소 생산 가격을 낮추는 데 도움이 될 전망이다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 김진영 수소·연료전지연구단 책임연구원 연구팀이 나노구조를 조절해 이리듐 사용량을 20분의 1로 줄인 수전해 양극 촉매를 개발했다고 29일 밝혔다. 

수전해는 친환경 에너지원인 그린수소를 생산하는 방법으로 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 과정을 거친다. 전기에너지를 수소와 산소로 전환하는 데 백금, 이리듐과 같은 값비싼 귀금속 물질이 촉매로 쓰인다. 

이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이기 위해 현재 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술, 나노 구조체 연구 등이 진행되고 있다. 하지만 수전해 장치의 구동 조건에 적합하지 않거나 대량 생산에 필요한 기술을 확보하지 못했다. 

연구팀은 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 기체 이동이 쉬운 방법이다.

연구팀은 실제로 전극 내 계층적 기공 구조를 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 일어나 수전해 활성이 높아지는 것을 확인했다.

연구팀이 개발한 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용한 결과에서는 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량이 20분의 1로 줄어든 제곱센티미터당 0.05mg을 달성했다. 그럼에도 불구하고 수전해 성능은 1.7V(볼트) 기준으로 상용 촉매보다 4배 높았다. 100시간 내구 평가에서는 5% 이내의 성능 감소를 보여 안정적인 수전해 구동 특성을 보였다.

김 책임연구원은 “물리적 구조 변형을 통해 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며 “해당 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 최근 뒷표지 논문으로 선정됐다. 연구팀은 그린수소 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일한 대면적 전극 제작 공정에 관한 연구를 향후 수행할 예정이다.

<참고 자료>
doi.org/10.1002/aenm.202400999

[문세영 기자 moon09@donga.com]