백금 대신 질화철…그린수소 생산비용 확 낮췄다

백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 책임연구원 연구팀. /KIST

이산화탄소 배출 없이 수소를 생산하는 그린수소의 생산비용을 낮출 수 있는 기술을 국내연구진이 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터의 박현서 책임연구원 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발했다고 18일 밝혔다. 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다.

고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있다.

부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1㎎/㎠ 가량 코팅해 보호층으로 사용한다. 그 위에 다시 1~2㎎/㎠의 이리듐 촉매를 코팅해야 한다. 문제는 이런 귀금속이 매장량과 생산량이 매우 적어 생산비용이 많이 든다는 점이다.

연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철로 대체했다. 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(㎚) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 크게 줄였다.

박현서 책임연구원은 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며 “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다.

참고자료

Applied Catalysis B:Environmental, DOI : https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122596

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