에너지연, 그린 수소 생산용 고성능 수전해 촉매 개발.. 세계 최고 수준

금속-금속산화물 시너지 효과 이용, 기존 상용 수전해 촉매 대비 61% 성능 ↑

한국에너지기술연구원이 개발한 고성능 수전해 촉매 개념도./사진제공=한국에너지기술연구원

국내 연구진이 하나의 금속산화물에서 온도 조절만으로 나노입자의 조성을 최적화해 더 많은 산소와 수소 발생 촉매를 생산할 수 있는 세계 최고 수준의 수전해 촉매를 개발했다.

한국에너지기술연구원 플랫폼연구실 김병현 박사 연구진은 경북대학교 김명진 교수, 미국 조지아텍 이승우 교수 등과의 공동연구를 통해 저렴한 그린수소 생산의 핵심인 고성능 고내구성을 확보한 수전해 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구진은 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원 온도가 서로 다르다는 점에 착안, 정밀한 환원 온도 제어를 통해 표면으로 용리되는 나노입자의 조성을 최적화하는 방법을 개발했다. 이를 이용해 500 ℃의 환원 온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를, 550 ℃의 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생성해 서로 다른 조성을 갖는 금속나노입자-금속산화물 촉매를 성공적으로 생산했다.

또 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 수소를 발생시킬 수 있었다. 30시간의 장기구동에서도 98% 이상의 성능을 유지해 높은 내구성을 갖는 것도 확인했다.

아울러 연구진은 다양한 전기화학적 분석, 실시간 X-선 흡수 분광법 및 계산과학을 이용한 분석 결과를 바탕으로 촉매 성능 향상의 주요 원인이 금속나노입자-금속산화물의 다양한 시너지 효과인 것도 규명했다.

김병현 박사는 "이번 연구를 통해 개발한 니켈-금속산화물 촉매의 니켈 금속나노입자가 향상된 전하 이동으로 산소 발생 반응에 매우 효과적으로 잘 알려진 니켈옥시하이드록사이드(NiOOH)로 쉽게 변환될 수 있음을 확인했다" 며 "촉매의 성능도 세계 최고 수준으로 좋아졌을 뿐만 아니라 계산과학을 통한 원리 규명으로 수전해, 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 광범위하게 적용 될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

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대전=허재구 기자 hery124@hanmail.net

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