GIST, 비싼 촉매 80% 줄인 수소생산 혁신 기술 개발

단전지에 적용 1000시간 운영해도 초기 성능 그대로 유지

(지디넷코리아=박희범 기자)국내 연구진이 희귀금속 이리듐 사용량을 80% 정도 줄이면서도 1,000 시간 이상 운영이 가능한 수소생산 고성능 전극을 개발했다.

광주과학기술원(GIST)은 박찬호 화학과 교수 연구팀이 수소 생산에 필요한 핵심 금속인 이리듐(Ir) 사용량을 크게 줄이면서도, 안정적으로 작동하는 촉매와 이를 적용한 고성능 전극을 개발했다고 25일 밝혔다.

두 가지 결정 구조가 존재하는 이리듐 산화물 형성 과정도.(그림=GIST)

수전해는 물을 전기로 분해해 수소를 생산한다. 이 과정에서 이리듐은 물에서 산소를 만들어내는 반응을 촉진하는 핵심 촉매로 사용된다. 그러나 가격이 비싼데다 성능과 수명을 동시에 확보하기 어렵다.

반응 속도(활성)를 높이면 구조가 쉽게 열화되면서 수명이 감소하고, 반대로 내구성을 높이면 반응성이 떨어지기 때문이다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 단단하고 규칙적인 ‘결정형 구조’와 유연하고 불규칙한 ‘비정질 구조’를 동시에 갖는 ‘이중상’ 이리듐 산화물 촉매를 개발했다.

속이 빈 공 모양 결정 구조 사이를 비정질 구조가 메우는 형태로 설계, 전자가 통과할 수 있는 연속적인 경로를 확보했다. 비정질 구조는 촉매 반응이 일어나는 자리를 많이 제공해 반응성을 높이고, 결정 구조는 전도성 경로와 구조적 지지 역할을 담당한다.

연구팀은 실제 수소 생산 장치 핵심 부품인 ‘수전해  단전지(MEA)’에 적용해 성능을 검증했다. 가로·세로 1 cm 면적에서 산업 현장 수준의 높은 전류(1A(암페어))를 지속적으로 흘려보내며 1,000시간 이상 물 분해 실험을 진행한 결과, 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산하는 것을 확인했다.

특히 1,000시간 이상 연속 가동에도 전압 상승폭이 시간당 31.5 마이크로볼트(μV)에 불과해, 사실상 변화가 거의 없는 수준으로 초기 작동 시와 유사한 효율을 유지했다.

박찬호 교수는 "이리듐 사용량을 기존 상용 단전지 대비 80% 이상 줄이면서도 장시간 안정적으로 작동하는 수전해 단전지를 구현했다"며 "차세대 그린수소 생산 기술인 고분자 전해질막(PEM) 수전해의 상용화 가능성을 높였다는 의미가 있다"고 설명했다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스트 사이언스'에 온라인으로 게재됐다.

한편 GIST는 이번 연구 성과를 기술사업화센터를 통해 기술 이전을 추진할 계획이다.

비싼 촉매 사용을 80% 줄인 GIST 연구진. 왼쪽부터 박찬호 화학과 교수, 양호성 석사.(사진=GIST)

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)