"친환경 수소 효율적 생산"…수전해 전극 후보물질 개발

KIST 연구진, 촉매 뭉치는 것 막는 '담지체'에 '몰리브데넘계 맥신' 적용
수소 생산 효율 2.5배…산화 내구도, 티타늄계열 대비 10배

몰리브데넘 맥신을 활용한 촉매가 전사되어 있는 전극을 통해 수소 생산 장치에 적용하여 실험하고 있는 모습. 박영상 학생연구원DL 수소 생산 장치를 구성하는 핵심 물품 중 하나인 음극 소자를 들고 있다.(한국과학기술연구원 제공)

(서울=뉴스1) 윤주영 기자 = 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 그린수소 생산 비용을 저감할 수 있는 수소분해 전극 후보물질을 만들었다.

7일 KIST에 따르면 이성수 전자파솔루션융합연구단 박사 팀은 수전해 촉매 담지체로 응용할 수 있는 몰리브데넘계 맥신을 개발했다.

친환경 에너지원으로 주목받는 수소는 물을 전기분해해 생성한다. 양극(+)에는 음이온을 띤 산소원자가 붙고 음극(-)에는 양이온을 띤 수소원자가 붙는다.

이런 분해를 '수전해'라고 하는데 효율을 높이려면 촉매가 필요하다. 문제는 시간이 지나면 작은 촉매 입자끼리 뭉쳐 반응 표면적이 줄어든다는 것이다. 수소 생산 효율을 떨어뜨린다.

이를 방지하고자 촉매와 함께 전극에 적용되는 게 담지체다.

산소 원자가 붙는 음극에선 산화 반응으로 이산화탄소가 발생하는바 내산화성을 갖춘 담지체가 요구된다. 이때 사용되는 물질이 '맥신'이다. 맥신은 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 하프늄(Hf), 탄탈럼(Ta) 등 금속 원자와 탄소 또는 질소 원자로 이뤄진 나노 물질이다.

그간 맥신 담지체는 티타늄 기반이 많이 연구됐다. 하지만 이 경우 물에 쉽게 산화되는 티타늄의 원자적 특성이 발목을 잡았다. 촉매가 높은 전기전도도를 유지할 수 없다는 고질적 문제가 생겼다.

맥신을 지지체로 활용한 촉매 디자인. 이를 음이온 기반 수소 발생 장치 전극에 활용하고 실증하는 전체 개념도.(한국과학기술연구원 제공)

산화 안정성 취약을 극복하고자 연구팀은 몰리브데넘을 적용한 맥신을 담지체로 채택했다. 그리고 이에 기반한 음극 촉매를 새롭게 설계했다. 이는 맥신 표면을 구성하는 몰리브데넘 원자와 촉매 코발트 간 강한 화학 결합으로 만들어졌다.

이를 수전해에 적용하자 수소 생산 효율이 약 2.45배 증가한 것이 확인됐다. 또 산화 내구성 역시 기존 티타늄 계열 맥신 대비 10배 이상 오른 것이 확인됐다. 최근 개발된 티타늄 계열 맥신에 기반한 전지 셀 내구성은 40시간이 채 되지 않았다.

그린 수소 생산 비용 절감 효과를 기대할 수 있게 된 것이다.

이번 연구 성과는 향후 대규모 수소 생산 발전소 및 대량 그린 수소 발전 스테이션 분야에도 활용될 예정이다.

본 연구는 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 비: 엔바이론멘트 앤 에너지" 6월호에 게재됐다.

(왼쪽부터 시계방향으로) 이성수 KIST 전자파솔루션융합연구단 선임연구원, 최관현 박사후 연구원, 박영상 학생연구원.

legomaster@news1.kr