포스텍 연구진, 수소 생산용 수전해 촉매 연구 방향성 제시

포스텍 연구팀의 수소 생산용 수전해 촉매 연구가 실린 국제학술지 'ACS 카탈리시스' 표지. 포스텍 제공

국내 연구진이 수소 생산용 수전해 촉매를 개발하기 위한 연구 방향성을 제시했다. 수전해는 물을 전기적으로 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 수소 생산용 수전해 촉매는 기술적으로 구현이 어려워 학계에서도 쉽지 않은 도전과제로 여겨진다.

포스텍은 김용태 신소재공학과·친환경소재대학원 교수 연구팀이 수전해 촉매 후보들의 성능을 확인하고 수전해 촉매 구현을 위해 필수적인 사항을 확인했다고 18일 밝혔다. 관련 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 카탈리시스’ 9월호 표지 논문으로 게재됐다. 

풍부한 자원인 물로부터 수소를 얻는 수전해 기술은 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 기술이다. 하지만 이리듐(Ir)과 같은 귀금속 촉매가 필요해 공정의 경제성이 낮다는 한계가 있다. 학계에서는 이를 극복하기 위해 다른 금속과의 합금 형태로 촉매를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 

이리듐과 루테늄(Ru), 오스뮴(Os)은 수전해 촉매 연구에서 주로 사용되고 있는 촉매 물질이다. 이리듐은 내구성은 높지만 활성이 낮고 비싼 반면, 루테늄은 활성이 우수하고 이리듐에 비해 저렴하지만 내구성이 좋지 않다. 오스뮴은 공정 중에 쉽게 용해되어 표면적이 큰 다공성 구조를 형성하며 촉매의 활성을 높인다.

연구팀은 두 종류의 금속을 사용해 촉매를 만들었다. 이리듐과 루테늄으로 구성된 촉매의 경우 각 금속의 우수한 특성이 유지됐다. 촉매의 활성과 내구성 모두 향상됐다. 오스뮴이 포함된 촉매는 다공성 구조가 형성되면서 표면적이 증가해 높은 활성을 보였고 이리듐과 루테늄의 특성도 잘 유지됐다. 

연구팀은 이어 세 가지 금속을 모두 사용해 촉매를 만들었다. 실험 결과 촉매의 활성은 일부 증가했으나 오스뮴이 용해되는 과정에서 이리듐과 루테늄의 구조가 무너지며 내구성이 급격하게 낮아졌다. 이 조합의 경우 각 금속의 우수한 특성이 유지되지 않았으며 오히려 촉매의 성능이 떨어진 것이다.

이같은 실험 결과를 바탕으로 연구팀은 촉매 연구의 방향성을 제시했다. 먼저 활성과 내구성 모두 우수한 촉매를 개발하기 위해서는 두 가지를 동시에 평가할 수 있는 지표를 사용해야 한다는 것이다. 연구팀은 2017년 세계 최초로 활성과 내구성을 고려한 복합적인 지표를 개발해 국제학술지에 발표한 바 있다. 이번 연구에서도 이 지표를 활용했다.

연구팀은 이어 다른 금속과 합금을 이룰 때 시너지를 낼 수 있는 후보들을 잘 선정해야 한다고 강조했다. 촉매의 표면적을 넓히기 위해 다공성 구조가 형성된 후에도 우수한 특성이 보존되는지 확인해야 한다고 설명했다. 포스텍 측은 “이번 연구는 새로운 촉매 개발 등 구체적인 성과를 제시한 것이 아니라 성공하지 못한 사례를 제시함으로써 촉매 설계 시 고려할 사항들을 도출했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.

연구를 이끈 김용태 교수는 “이번 연구는 끝이 아닌 시작”이라며 “이를 바탕으로 효율적인 수전해 촉매를 개발하기 위해 꾸준하게 연구하겠다”는 포부를 밝혔다.

수전해 촉매 후보들의 조성별 분석을 통한 경향 파악 및 균형 잡힌 촉매 설계. 포스텍 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]