KIST, 수전해 촉매 비용 대폭 줄여…이리듐 사용량 '20분의 1'

셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제

그린수소 생산 단가를 대폭 낮출 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 김명근, 유성종 수소·연료전지연구단 박사팀이 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 20분의 1 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

전 세계적으로 수전해 설비 대형화가 추진되나, 가장 우수한 수전해 성능·내구성을 보이는 이리듐 촉매 가격이 높아 걸림돌이 되고 있다.

이에 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화돼 안정적인 지지체 개발이 중요 과제였다.

이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다.

또 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 이리듐 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄으로 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성, 이리듐 용출을 억제했다.

개발한 저이리듐 촉매를 상용화 수전해 설비에 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존 20분의 1 수준으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다.

단위면적당 0.05㎎ 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9V에서 3.18암페어(A)/㎠ 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45A/㎠)보다 우수했다.

김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 등으로 수행됐다. 성과는 ACS 에너지 레터스에 표지논문으로 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com