차세대 신촉매로 '그린 수소' 생산 비용 대폭 절감한다

고려대-성균관대-KIST-동국대, 차세대 음이온 교환막 수전해용 고효율 고안정성 촉매 개발

[유창재 기자]

▲ ‘이온교환’ 방법으로 개발한 Pt, Ru, P 삼원계 (PtRuP2) 물질 기반의 이중벽 나노튜브 촉매의 원소 및 결정 분석. 개발된 촉매는 이중벽 나노튜브 형태를 갖는다. 위 그림과 같이 음이온/양이온 치환을 순차적으로 진행하고, 추가적인 산 처리를 거쳐 합성된다. 왼쪽 투과전자현미경 이미지를 통해 구조가 변형되는 과정을 확인할 수 있다. 고해상도 투과전자 현미경 이미지에서 확인할 수 있듯이 결정성이 매우 높은 나노구조를 갖고 있으며, 표면에 존재하는 백금과 루테늄 원자들이 각각 물 분자의 흡착 및 분해, 그리고 수소 기체 생산과정에서 원자 수준의 상호작용을 통해 우수한 촉매 활성을 나타낸다.

탄소 배출이 없어 차세대 에너지로 각광받는 '그린 수소'의 생산 비용을 대폭 절감하는 기술적 해결책을 국내 대학들의 공동 연구진이 찾아냈다. 그린 수소 생산 경제성 확보의 핵심은 바로 '이중벽 나토튜브'의 독특한 구조에 있었다.

고려대 이광렬 교수 연구팀과 성균관대 이상욱 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 동국대 진하늘 교수 연구팀은 19일 "음/양이온교환'라는 새로운 방식으로 나노입자를 제어하여 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브 형태로 구현한 음이온 교환막 수전해 장치용 양극재 소재를 개발했다"고 밝혔다.

공동 연구팀이 이번에 연구한 '이중벽 나노튜브'는 나노 사이즈의 직경을 갖는 실린더 형태로 속이 빈 두 실린더가 겹쳐져 있는 구조이다.

▲ PtRuP2 이중벽 나노튜브 촉매를 활용하여 최적화한 음이온 교환막 수전해와 상용 Pt/C 기반의 음이온 교환막 수전해의 성능 및 내구성 평가 좌상 그림은 실제 음이온 교환막 단위전지의 모습을 나타낸다. 다음은 수전해 성능을 평가한 결과로, 전압에 따라 얻어지는 전류 밀도 값이 클수록 성능이 좋다고 본다. PtRuP2 촉매를 활용한 단위전지는 성능이 상용 백금 촉매 (5.44 A cm2@2.0 V) 와 비교해 우수한 결과 (9.40/A cm2)를 나타내었다. 또한, 약 270 시간의 우수한 장기 내구성을 나타내었다. 이는 2.0 V에서 질량비 출력 및 내구성 측면에서 기존 발표된 수전해 촉매들보다 우수한 결과라는 것을 확인할 수 있다.

먼저 이중벽 나노튜브 형태로 구현하는데 성공한 연구팀은 이를 양극재 소재로 활용하여 음이온 교환막 수전해 장치를 최적화하여 상용 백금 및 루테늄 촉매 대비 그린 수소 생산 단가를 크게 낮출 수 있었다.

연구팀은 "'그린 수소'의 제조 과정에서 발생하는 생산 비용을 현저히 낮추는 기술적인 성취를 이뤘다"면서 "그린 수소는 이산화탄소 배출이 없는 친환경 방식으로 생산되는 수소로, 이는 탄소 중립 기술의 핵심기술"이라고 강조했다.

현재 수소 생산의 대다수는 '그레이 수소'로 분류되며, 천연가스와 수증기를 이용하여 생산되는 과정에서 이산화탄소가 발생한다. 그러나 전기에너지를 이용해 물을 분해하여 생산하는 '그린 수소'는 이러한 이산화탄소 배출 없이 수소를 생성할 수 있는 방식으로 주목받고 있다.

더구나 음이온 교환막 수전해(AEM) 기술은 알칼라인 수전해(AEC)와 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 우수한 특성을 결합한 혁신적인 차세대 수전해 기술이라고 할 수 있다. 그러나 현재 적용하는 촉매의 낮은 활성 및 내구성으로 수전해 기술의 상용화가 제한되고 있기 때문에 그린 수소 생산을 위한 음이온 교환막 수전해 방식의 고성능을 확보하기 위한 가격 경쟁력이 있는 촉매 물질의 개발이 시급한 상황이다.

이에 공동 연구팀은 '음/양이온교환'이라는 새로운 방식으로 나노입자를 제어해 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브 형태로 구현하는데 성공한 것이다. 또, 이를 양극재 소재로 활용하여 음이온 교환막 수전해 장치를 최적화하여 상용 백금 및 루테늄 촉매 대비 그린 수소 생산 단가를 크게 낮출 수 있었다.

연구팀의 수전해 촉매의 성능평가 결과에 따르면, 개발한 PtRuP2 기반의 이중벽 나노튜브 수전해 촉매는 수전해 작동 전압인 2.0 V 영역에서 9.40 A/cm2(제곱센티미터당 암페어)의 전류밀도를 나타냈다. 이는 상용 촉매인 백금 촉매의 전류밀도 5.44 A/cm2보다 1.7배 이상 우수하며, 약 270시간 이상의 장기 내구성을 보였다.

나아가 연구팀은 P 음이온에 의해 격자화된 Ru 및 Pt이 각각 물 분해와 수소 생산에 특화되어 있다는 것을 발견했으며, 나노구조 안에서 각 원자 간의 시너지 효과를 구현하면 촉매의 성능을 극대화할 수 있음을 밀도범함수 이론적 분석과 실시간 operando XAS 실험분석을 통해 입증해냈다.

▲ PtRuP2 결정 표면에서 Ru 과 Pt가 각각 물 흡착/분해 및 수소 발생에 특화되어 있을을 실험적으로 규명하는 실시간 operando XAS 분석 결과 데이터.

이광렬 고려대 교수는 "이번 연구 성과는 나노 촉매 개발에 있어서 '이온 교환'라는 완전히 새로운 방식으로 물질의 상(phase)과 형태(morphology)를 제어한 것"이라며 "이를 통해 다양하고 우수한 나노 촉매를 개발하는 방법론으로의 확장이 가능하다"고 말했다.

덧붙여 이 교수는 "이러한 방식을 통하여 다양한 촉매를 개발한다면 수전해 촉매 기술이 새로운 차원으로 성장할 수 있을 것으로 예상된다"고 기대감을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 리더연구사업, 대학중점연구소지원사업, 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업 등으로 수행됐다. 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 에너지, 재료 분야 국제학술지 <어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials>(IF 27.8, JCR 상위 분야 3%)에 후면 표지 논문(back cover)으로 선정됐으며, 온라인에는 지난 2일자로 게재됐다.

▲ 사진 왼쪽부터 홍용주 박사 (제1저자, 고려대학교), 진하늘 교수 (제1저자, 동국대학교), 유성종 박사 (교신저자, 한국과학기술연구원, KIST), 이상욱 교수 (교신저자, 성균관대학교), 이광렬 교수 (교신저자, 고려대학교)