값비싼 귀금속 없이 고효율 수소 생산 길 열었다

한국재료연구원

윗줄 왼쪽부터 한국재료연구원 김남인 박사과정, 김영지 박사과정, 이재훈 박사과정, 아랫줄 왼쪽부터 한국재료연구원 최승목 책임연구원, 이주영 선임연구원, 이승화 국립창원대학교 교수

수소를 만드는 핵심 장치에서 백금 같은 값비싼 귀금속 촉매를 대체해 수소 생산 비용을 낮출 수 있는 기술이 개발됐다. 

한국재료연구원(KIMS)은 최승목 책임연구원 연구팀이 이승화 국립창원대 교수 연구팀과 공동으로 귀금속 없이 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 촉매를 개발했다고 25일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 'ACS 나노'에 지난 12월 1일 게재됐다.

물을 전기로 분해 시 수소와 산소가 만들어지는 과정을 '수전해'라고 한다. 수전해 시 산소가 발생하는 쪽의 반응이 전체 효율을 좌우한다. 반응을 빠르게 일으키려면 촉매가 필요하다. 기존에는 이리듐, 루테늄 같은 희귀 금속 촉매를 썼지만 가격이 비싸 생산 효율이 떨어졌다. 

차세대 수전해 기술인 '음이온 교환막 수전해'는 알칼리 환경에서 작동해 비귀금속 촉매를 쓸 수 있다는 장점이 있다. 그러나 비귀금속 촉매는 오래 쓰면 구조가 무너지거나 금속이 녹아 나와 성능이 떨어지는 문제가 있어 현장에서는 여전히 귀금속에 의존해야 했다.

연구팀은 코발트와 철을 기반으로 한 옥시수산화물 촉매를 층층이 쌓아올린 구조로 설계해 문제를 해결했다. 철을 넣어 코발트 중심의 전자 상태를 조절한 결과 산소 발생 반응에 필요한 에너지 장벽이 낮아졌다. 적은 전력으로도 높은 효율을 낼 수 있게 됐다.  

연구팀은 촉매 표면을 화학적으로 산화 처리하는 독자 기술을 적용해 장시간 운전에서도 구조가 무너지지 않고 안정적으로 작동하도록 했다.

이번 연구는 음이온 교환막 수전해 장치에 촉매를 적용해 성능과 내구성을 동시에 검증해 비귀금속 촉매가 현장에서도 쓸 수 있음을 입증했다. 최승목 책임연구원은 "비귀금속 촉매의 한계를 구조 설계를 통해 극복한 사례"라며 "음이온 교환막 수전해 기반의 그린수소 생산 기술 상용화를 앞당겨 수소 사회 실현에 기여할 수 있도록 노력하겠다"고 밝혔다.

<참고> 
doi.org/10.1021/acsnano.5c14034

[임정우 기자 jjwl@donga.com]