값싼 철로 수소 생산 비용 낮춘다

국내 연구팀이 물 전기 분해로 수소 생산 효율을 높일 저비용·고성능 촉매를 개발했다. 게티이미지뱅크 제공.

국내 연구팀이 철을 활용해 수소 생산 효율을 높인 촉매 설계 기술을 개발했다. 수소 생산 비용을 낮춰 수소 경제 활성화에 기여할 것으로 기대된다.

 

한국재료연구원(재료연)은 박다희 에너지·환경재료연구본부 수소전지재료연구센터 선임연구원팀이 물을 전기 분해해 수소를 생성하는 과정에서 사용하는 촉매에 철을 넣어 성능을 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘켐서스켐(ChemSusChem)’ 3월호 표지 논문으로 선정됐다.

 

'수전해'는 물을 전기 분해해 청정 에너지원인 수소를 생산하는 기술이다. 수전해 과정에서 가장 많은 에너지가 필요한 단계는 수소 생산과 동시에 일어나는 산소 발생 반응으로 속도가 느려 전체 효율을 떨어뜨린다.

 

산소 발생 반응 속도를 높이려면 촉매가 필요하다. 기존에는 성능이 뛰어난 귀금속 촉매를 사용했지만 가격이 비싸고 자원이 제한적이다. 비교적 저렴한 몰리브덴 기반 산화물 촉매가 대안으로 떠올랐지만 전기전도성이 낮고 활성 자리가 부족해 성능 향상이 어려웠다.

 

연구팀은 몰리브덴 산화물 구조 일부를 철로 바꾸는 '치환' 방식으로 한계를 극복했다. 철을 주입하자 원자 배열이 바뀌며 산소 빈자리가 생겼다. 전자 이동이 원활해지고 활성 자리도 늘었다. 철·산소·몰리브덴 이중 결합 구조로 촉매의 구조적 안정성도 높아졌다.

 

연구팀은 촉매 내부 구조를 정밀하게 제어했다. 내부에 빈 공간을 만들어 반응 면적을 넓히고 물질 이동을 원활하게 했다. 촉매 표면뿐 아니라 내부 산소도 반응에 직접 참여해 반응 효율이 높아지도록 했다.

 

새 촉매는 높은 전류 밀도에서도 낮은 에너지로 반응을 유지하며 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 연구팀은 알칼라인 수전해 시스템에 적용해 수소 대량 생산 효율을 높이겠다는 계획이다.

 

박다희 선임연구원은 “귀금속 촉매를 대체해 수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것”이라며 “다양한 전기화학 에너지 변환 기술로 확장해 나갈 계획”이라고 말했다.

 

<참고 자료>

doi/10.1002/cssc.202502390

 

왼쪽부터 박다희 선임연구원, 김민희 석사후연구원, 구혜영 책임연구원. KIMS 제공.

[조가현 기자,문혜원 인턴기자 gahyun@donga.com,moony@donga.com]