재료연·포스텍, 5나노 초박막 코팅으로 수전해 촉매 성능 1.9배 향상

윗줄 왼쪽부터 양주찬 한국재료연구원 책임연구원, 안지환 포항공과대학교 교수, 이호식 울산과학기술원 교수. 아랫줄 왼쪽부터 윤기용 한국재료연구원 박사, 김현민 포항공과대학교 박사, 이경복 한국재료연구원 석박통합과정생.

한국재료연구원 수소·전지재료연구센터 양주찬 책임연구원 연구팀이 포항공과대학교 안지환 교수 연구팀과 공동으로 수전해 촉매 표면에 약 5나노미터 두께의 초박막을 코팅해 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다.

연구팀은 페로브스카이트 촉매 표면에 니켈·철 기반 수산화물인 NiFe(OH)x를 코팅했다. 이 코팅층은 머리카락 굵기보다 수천 배 얇은 수준으로, 촉매의 반응 성능을 높이면서 장시간 사용에 따른 구조 열화를 억제한다.

개발 촉매는 음이온교환막 수전해(AEMWE) 장치에서 기존 촉매보다 약 1.9배 높은 성능을 보였으며, 1000시간 장기 운전에서도 안정성을 유지했다.

핵심은 초박막 코팅층이 단순한 보호막을 넘어 반응을 돕는 활성층 역할을 한다는 점이다. 연구팀은 코팅층과 기존 촉매가 맞닿는 경계면에서 전자 이동이 원활해지고, 촉매 금속 성분의 용출은 억제되는 것을 확인했다.

또 촉매를 용액에 담갔다 건조하는 방식으로 코팅할 수 있어 복잡하거나 고가의 공정이 필요하지 않다. 연구팀은 이를 바탕으로 대면적 전극과 산업용 수전해 시스템으로 기술을 확대할 계획이다.

양주찬 책임연구원은 “기존 고성능 촉매를 새로 만드는 대신 간단한 표면처리로 한계를 보완할 수 있는 접근법”이라며 “대면적 전극과 실제 수전해 시스템으로 확대해 그린수소 생산의 효율과 안정성을 높이겠다”고 말했다.

안지환 교수는 “촉매 열화의 원인을 분석하고 이를 억제할 수 있는 계면 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “다양한 전기화학 에너지 변환 시스템에도 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 국가과학기술연구회, 한국연구재단, 한국에너지기술평가원 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr