에너지기술연구원, 그린수소생산용 고성능 수전해촉매 개발

온도조절만으로 나노입자 조성 최적화

고성능 수전해 촉매 개념도. 산소발생 촉매는 내부 원자단위 결함으로 인해 금속-금속산화물의 전기화학적 특성이 향상. 수소발생 촉매의 경우, 금속산화물의 표면이 물분해 반응을 촉진하고, 합금조성을 갖는 나노입자가 수소발생 반응성을 향상(그림제공:에너지연)© 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 한국에너지기술연구원(대전 유성구)은 플랫폼연구실 김병현 박사 연구진과 경북대 김명진 교수, 미국 조지아텍 이승우 교수와의 공동연구를 통해 저렴한 그린수소 생산의 핵심인 고성능·고내구성을 확보한 수전해촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

친환경적인 수소생산 방법인 수전해 방식은 온실가스를 배출하지 않는 친환경성에도 불구하고 고가의 전력비용이 기술상용화의 걸림돌이었다. 따라서 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있는 고성능·고내구성 촉매개발이 요구된다.

연구진은 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원온도가 서로 다르다는 점에 주목했다. 이에 정밀한 환원온도 제어를 통해 표면으로 용리(화합물이 가열될 때 내부에 있던 금속이 표면으로 석출·분리되는 현상)되는 나노입자의 조성을 최적화하는 방법을 개발했다.

이를 이용해 Δ500도의 환원온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를 Δ550도의 환원온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생성해 서로 다른 조성을 갖는 금속나노입자-금속산화물 촉매를 성공적으로 생산했다.

연구진은 니켈-금속산화물로 이루어진 산소발생 촉매와 니켈루테늄-금속산화물로 이루어진 수소발생 촉매를 수전해 장치의 양극과 음극에 적용했다.

그 결과 기존의 이리듐, 백금 촉매를 사용한 상용 수전해 장치에 비해 61% 향상된 수소 발생을 달성했다.

Energy & Environmental Science 2021년 5월 표지. 하나의 모체 금속산화물에서 양이온 환원 온도 정밀제어를 통해 서로 다른 조성을 갖는 산소 발생 촉매와 수소 발생 촉매를 동시에 생산할 수 있음을 표현(사진제공:에너지연)© 뉴스1

또, 30시간의 장기구동에서도 98% 이상의 성능을 유지해 높은 내구성을 갖는 것을 확인했다.

나아가 연구진은 Δ전기화학적 분석 Δ실시간 X-선흡수 분광법 Δ계산과학을 이용한 분석결과를 바탕으로 촉매 성능향상의 주요 원인이 금속나노입자-금속산화물의 다양한 시너지효과임을 규명했다.

이번 연구를 통해 개발한 니켈-금속산화물 촉매의 니켈 금속나노입자가 향상된 전하이동으로 산소발생 반응에 매우 효과적으로 잘 알려진 니켈옥시하이드록사이드(NiOOH)로 쉽게 변환될 수 있음을 확인했다.

플랫폼연구실 김병현 박사는 “계산과학을 바탕으로 수전해 촉매의 성능향상 원인을 성공적으로 규명할 수 있었다”라며 “이번 연구결과는 새로운 촉매를 디자인하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구 성과는 ‘에너지 & 인바이론먼털 사이언스’ 5월 표지논문으로 게재됐다.

km5030@news1.kr