원자 하나로 수소·산소 동시 생산…귀금속 촉매 사용량 줄였다

(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 원자 하나로 수소와 산소를 동시에 생산해 귀금속 사용량을 줄이고 안정성도 높인 수전해 촉매가 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 극한물성소재연구센터 나종범 선임연구원·김종민 책임연구원 연구팀이 단원자 촉매와 접착제를 쓰지 않는 전극 기술을 결합한 차세대 수전해 촉매 소재 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

기존 수전해 시스템은 수소 발생 반응과 산소 발생 반응에 서로 다른 촉매와 전극 구조를 써야 하고, 촉매 소재로도 고가 귀금속을 다량 사용하는 문제가 있었다.

또 전극에 촉매를 고정하는 접착제가 전기 흐름을 막거나 촉매가 떨어지는 문제를 유발하기도 했다.

연구팀은 촉매로 덩어리 형태 이리듐 귀금속을 사용하는 대신 이리듐을 원자 단위로 분산시켜 망간, 니켈, 피틴산 기반 이중층 수산화물 지지체 표면에 균일하게 배치한 구조를 개발했다.

바위 대신 모래알을 펼쳐 놓으면 면적이 극대화되는 것을 활용해 물 분해 반응 면적을 키운 것이다.

또 이리듐 단원자가 지지체와 상호작용하며 수소 발생 반응의 활성점으로 작용하면서, 산소 발생 반응이 일어나는 니켈 기반 활성점의 촉매 성능을 강화하는 역할을 하도록 했다.

여기에 연구팀은 촉매를 전극 표면에서 직접 키우는 방식을 활용해 별도 접착제를 사용하지 않으면서 접착제 문제도 해소했다.

이렇게 만든 소재는 기존 귀금속 촉매와 비교해 사용량을 1.5% 이내로 줄이면서 높은 수소와 산소 발생 효율을 보였다.

또 음이온 교환막 수전해 시스템에서 300시간 이상 연속 운전해도 성능 저하가 없는 것을 확인했다.

나 선임연구원은 "귀금속 사용량을 줄이면서도 수소 생산에 꼭 필요한 두 반응을 하나의 촉매로 해결했다는 점에서 의미가 크다"며 "앞으로 수전해 장치의 상용화를 앞당기고, 수소 에너지 확대에 실질적인 도움을 줄 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 지난달 14일 국제학술지 '어드밴스트 에너지 머티리얼스'에 실렸다.

shjo@yna.co.kr

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