친환경 에너지 ‘그린 수소’ 더 저렴하게 만든다…신소재 촉매 개발

성균관대·고려대·동국대·한국과학기술연구원(KIST) 연구진
백금·루테늄·인으로 만든 삼원계 물질
이중벽 나노튜브로 전류밀도 1.7배 높여

성균관대·고려대·동국대·한국과학기술연구원(KIST) 공동 연구진이 음이온 교환막 수전해에 필요한 고성능 촉매를 개발했다. 기존 촉매보다 전류밀도가 1.7배 높아 수소 생산 효율을 높일 수 있을 것으로 기대를 모은다./성균관대

국내 연구진이 그린 수소 생산 효율을 1.7배 끌어올릴 새로운 촉매를 찾는 데 성공했다. 세 종류의 물질을 섞어 만든 나노 구조 물질로 수소 생산에 필요한 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

이상욱 성균관대 고분자공학부 교수가 이끄는 연구진은 19일 탄소 배출 없는 친환경 에너지원인 그린 수소 생산 효율을 높일 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구에는 고려대, 동국대, 한국과학기술연구원(KIST)이 함께 참여했다.

음이온 교환막 수전해는 알칼라인 수전해(AEC)와 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 우수한 특성을 결합한 차세대 기술이다. 저렴한 촉매를 사용하면서도 낮은 전력에서 작동해 높은 효율을 자랑한다. 다만 현재까지는 기술력의 한계로 음이온교환막과 촉매의 성능을 개선해야 하는 상황이다.

연구진은 새롭게 개발한 ‘음·양이온교환’ 기술로 나노입자를 제어해 백금·루테늄·인으로 이뤄진 삼원계 물질을 만들고 이중벽 나노튜브 구조를 구현했다. 이중벽 나노튜브는 나노미터(㎚) 수준의 직경을 가지면서 속이 빈 원통 두 개가 겹쳐 있는 구조를 말한다.

이렇게 개발한 물질은 음이온 교환막 수전해용 촉매로 만들었다. 그 결과, 기존 수전해에 쓰이는 전압인 2V에서 ㎠당 9.4A의 전류 밀도를 나타내 기존 기술보다 우수한 성능을 보였다. 현재 쓰이는 백금 촉매가 같은 조건에서 5.44A의 전류 밀도를 갖는 것에 비하면 1.7배 성능이 개선된 것이다. 270시간 이상 사용해도 성능을 유지하는 장기 내구성도 확인됐다.

연구진은 이중벽 나노튜브 구조가 높은 수전해 효율을 보이는 이유도 찾았다. 나노구조 내부에서 각 원자의 상호작용으로 물 분해와 수소 생산을 높이는 것으로 나타났다. 백금과 루테늄의 전자 구조 차이가 물 분해에 필요한 에너지를 낮추는 데 기여한다는 것이다.

연구진은 이번 연구를 통해 ‘그린 수소’ 생산에 필요한 비용을 획기적으로 낮추는 데 기여할 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 그린 수소는 사용은 물론 생산 과정에서도 탄소 배출이 없는 수소를 말한다. 현재까지 그린 수소를 만드는 방법은 물을 분해해서 얻는 것이 유일하다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’에 지난 2일 소개됐다.

참고자료

Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202304269)

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