그린수소 생산효율 극대화…KIST ‘비백금 음극촉매’ 개발

[게티이미지뱅크]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 수소는 환경오염 물질을 전혀 발생시키지 않는 깨끗한 에너지원으로 알려져있다. 하지만 화석연료를 사용해 이산화탄소를 배출하는 ‘그레이 수소’, 그레이 수소 생산 과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 생산하는 ‘블루 수소’는 완전한 청정 에너지원과는 거리가 있다. 생산 과정에서 탄소를 전혀 배출하지 않는 ‘그린 수소’는 물을 전기 분해해 분리막으로 이온을 이동시킴으로써 수소와 산소를 생성하는 수전해 방식으로 생산한다.

한국과학기술연구원(KIST)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사와 성균관대학교 윤원섭 교수, 유필진 교수가 공동연구를 통해 산소 발생 반응(OER) 성능을 높인 촉매소재 계면 제어기술을 개발했다고 밝혔다. 산소 발생 반응 촉매는 물을 분해하여 수소를 생산하는 속도와 효율성을 높이는 역할을 담당한다. 그러나 산소 발생 반응 촉매의 구조-성능 간 상관관계와 이를 바탕으로 한 촉매 구조 제어 기술 연구는 부족하여 단순한 입자 형태의 금속 촉매 혹은 복잡한 제작과정이 필요한 계면 촉매를 주로 사용해왔다.

철 원자는 산화수가 다양한 원소 중 하나로, 높은 산화수를 가지면 활성점이 증가하고 전하의 이동 속도가 빨라져 산소발생 반응성능이 극대화된다. 일반적으로 금속 나노입자의 기상 반응 기상 반응에서는 반응물이 기체 상태이기 때문에 원하는 촉매 구조를 달성하도록 반응성을 제어하기 어렵다.

이성수 KIST 박사.[KIST 제공]

연구팀은 기상 반응을 제어하여 고산화수 원자를 갖는 촉매 구조를 얻기 위해 기체 투과도가 낮은 고결정성 흑연 탄소 껍질로 둘러싸인 금속 나노입자를 합성했다. 이후 기상 반응을 수행한 결과 고결정성 흑연 탄소 껍질의 제한적인 기체 투과성으로 인해 커켄달 효과가 불완전하게 발생하여 나노입자 내 공극이 적은 환경이 만들어졌고, 촉매 계면에서 철 원자가 높은 산화수를 가지는 구조를 구현할 수 있었다.

연구팀은 이렇게 개발한 촉매를 최근 가장 주목받고 있는 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 장치의 음극의 산소 발생 반응 촉매로 활용했다. 그 결과 최근 에너지 분야 권위지에 발표된 음이온 교환막 수전해 기술에 적용되는 비백금계 촉매 성능보다 고전류밀도 성능을 2.0 V 조건에서 약 1.5배 높일 수 있었다.

이성수 박사는 “그린 수소의 운전비용 및 에너지 효율을 획기적으로 개선함으로써 향후 대형 수소기반 발전소, 선박, 트럭, 잠수함, 드론, 비행기 등 신규 수소산업 형성에 기여할 것”이라고 기대했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이로멘털’에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com