물에서 수소 뽑아내는 장치를 더 싸게 만든다

KIST, 수전해장치 양극 촉매 제작 기술 개발
기존 장치보다 이리듐 5%만 써도 성능 4배 향상

KIST 김진영 박사팀이 표면이 올록볼록하고 내부는 매우 작은 구멍을 가지고 있는 나노튜브 구조의 수전해장치 양극 촉매를 개발했다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀은 물을 수소와 산소로 전기분해하는 수전해 장치의 생산 단가를 낮출 수 있는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 이 기술은 물을 전기로 분해하는 장치 속에 들어가는 값비싼 이리듐을 20분의 1만 사용하고도 현재 사용하고 있는 것보다 4배 이상의 성능을 낼 수 있다.

물을 전기분해하는 수전해는 현재 가장 친환경적인 그린수소 생산방법이지만 이 장치를 만드는데 백금과 이리듐 등 값비싼 금속이 들어가 생산비용이 높다. 그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비 2~3배 높은 생산 가격을 낮춰야 하며, 이를 위해서는 수전해 장치 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이는 것이 중요하다.

연구진은 올록볼록한 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 즉 장치에 들어가는 양극 촉매를 나노구조 조절을 통해 이리듐 사용량을 대폭 줄였다.

이를 통해 전극 내부가 다양한 형태의 나노크기의 구멍이 있는 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 수소·산소 기체 이동이 쉽게 만들었다. 그 결과, 전극 내 작은 구멍을 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 장치가 빠르게 작동했다.

연구진은 현재 사용하고 있는 촉매의 성능과 비교하기 위해 이번에 개발한 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 넣어 실험했다. 촉매 사용량에 따른 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 20분의 1 수준인 1㎠당 0.05㎎으로 줄였음에도 1.7 V 기준으로 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 보였다. 또한, 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 작동 특성을 확보했다.

이는 이리듐을 적게 사용하고도 기존 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산 단가를 낮출 수 있다는 것을 뜻한다.

연구진은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일하고 넓은 크기의 전극 제작 공정에 관한 연구를 진행할 예정이다.

김진영 박사는 "물리적 구조를 변형해 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다"며, "이 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 기술을 세계 최고의 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 발표했다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자