고가 소재 5%만 사용해도 수소생산 1.5배 늘었다

KIST, 그린수소 생산용 새 촉매 개발
내구성도 370시간까지 늘어 8배 향상
수전해 설비 구축 가격 낮출 수 있어

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단이 개발한 수전해장치용 촉매가 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단이 그린수소 1㎏ 생산 비용을 1달러까지 낮출 시기를 앞당길 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 이 기술로 재생에너지로 물에서 수소를 뽑아내는 수전해 장치의 핵심 소재인 이리듐을 현재 사용하는 것보다 단 5%만 사용하고도 1.5배 많은 수소를 생산해냈다. 또한 내구성도 8배 이상 뛰어나 이 기술을 적용하면 대형 수전해 설비 구축 가격을 낮추는 데 기여할 것으로 보인다.조 바이든 대통령이 지난 2022년 8월 발표한 인플레이션 감축법 (IRA)은 탄소배출을 줄이는 청정에너지 기술을 지원하고 있다. 이중 재생에너지를 사용해 생산하는 수소가 대표적이다. 미국 에너지부에서는 이를 뒷받침하기 위해 2030년까지 수소 1㎏ 생산비용을 1달러로 낮추겠다는 '수소 1달러 프로젝트'를 추진중이다.

현재 그린수소 생산단가가 주요선진국은 3~10 달러이며, 우리나라는 10달러 수준이다. 수전해장치의 고분자 전해질막에 사용하는 고가의 이리듐이 생산단가를 낮추지 못하는 요인중 하나다.

KIST 김명근·유성종 박사팀이 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 대폭 줄인 촉매를 개발했다.

이리듐을 붙잡고 있는 탄소 지지체는 기존의 경우 수전해 반응때 사용하는 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 구조가 손상되거나 부서질 수 있어 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 연구진은 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 만들었다. 그 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 부식 반응을 막았다.

또한, 촉매 내구성을 향상시키기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄을 도입했다. 셀레늄이 얇은 수산화물 층으로 이리듐을 코팅해줌으로써 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 떨어져 나가는 것을 막았다.

연구진은 이리듐이 1㎠당 1~2㎎ 들어간 촉매와 1㎠당 0.05㎎을 사용한 새 촉매를 상용화된 수전해 장치에 적용해 테스트했다. 그결과 새 촉매가 이리듐을 적게 사용했음에도 수소를 1.5배 더 생산해냈다. 또한 370시간 동안 장치를 가동해도 성능이 떨어지지 않아 기존 것보다 8배 이상 높은 내구성을 보였다.

김명근 박사는 "저이리듐 촉매를 만들기 위한 지지체 개발과 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다"며, "대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 촉매를 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 표지논문(Front Cover)으로 발표했다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자