수전해 촉매에 5나노미터 초박막…성능 2배·1000시간 내구성 확보

재료연·포스텍 공동연구팀, 용액 기반 간단한 표면처리 기술 개발…그린수소 생산 효율 향상 기대

한국재료연구원(KIMS) 연구진이 수전해 촉매 표면에 머리카락보다 수천 배 얇은 초박막을 입혀 촉매의 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다.

한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 수소·전지재료연구센터 양주찬 박사 연구팀은 포항공과대학교(POSTECH) 기계공학과 안지환 교수 연구팀과 공동으로 페로브스카이트 수전해 촉매 표면에 약 5나노미터(nm) 두께의 니켈·철 기반 수산화물(NiFe(OH)x)을 코팅하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

수전해는 물에 전기를 공급해 수소와 산소로 분해하는 기술로, 재생에너지와 결합하면 탄소 배출을 줄이면서 수소를 생산할 수 있다. 하지만 산소 발생반응(OER)은 반응 속도가 느려 고성능 촉매가 필요하다. 특히 페로브스카이트 촉매는 높은 반응성을 갖지만 장시간 사용하면 금속 성분이 용출돼 구조가 무너지고 성능이 떨어지는 문제가 있다. 성능과 내구성 가운데 하나를 높이면 다른 하나가 떨어지는 ‘활성-내구성 상충관계’가 수전해 기술의 주요 과제로 꼽혀왔다.

연구팀은 촉매를 코팅 용액에 담갔다가 건조하는 간단한 방식으로 초박막을 형성했다. 그 결과 음이온교환막 수전해(AEMWE) 장치에서 기존 촉매보다 약 1.9배 향상된 성능을 구현했다. 특히 초박막은 단순한 보호막이 아니라 촉매의 반응을 촉진하는 ‘활성층’ 역할도 하는 것으로 확인됐다.

초박막과 기존 촉매가 맞닿는 계면에서 전자 이동이 원활해져 산소 발생반응이 빨라지는 동시에 촉매 내부로 반응 물질이 과도하게 침투하거나 금속 성분이 빠져나가는 현상도 억제됐다. 연구팀은 실시간 분석과 이론계산을 통해 금속 성분의 용출과 재침착이 균형을 이루면서 장시간 운전에도 촉매 구조가 안정적으로 유지되는 원리를 규명했다. 실제로 1000시간 장기 운전 후에도 초박막 코팅층이 안정적으로 유지됐다.

양주찬 KIMS 책임연구원은 “기존 고성능 촉매의 한계를 간단한 표면처리로 보완할 수 있는 실용적인 접근법”이라며 “대면적 전극과 실제 수전해 시스템으로 기술을 확대해 그린수소 생산의 효율과 안정성을 높이는 데 기여하겠다”고 말했다.

(좌)Advanced Energy Materials 학술지 표지(우)기존 촉매와 초박막 수산화물 코팅을 적용한 개발 촉매의 구조 비교 및 1,000시간 장기 운전 안정성 평가 결과. 개발 촉매는 코팅층이 촉매 성분의 용출을 억제해 장시간 안정적인 성능을 유지했다.

(왼쪽부터 (위)한국재료연구원 양주찬 책임연구원, 포항공과대학교 안지환 교수, 울산과학기술원 이호식 교수(아래)한국재료연구원 윤기용 박사, 포항공과대학교 김현민 박사, 한국재료연구원 이경복 석박통합과정생)

이명용 기자 mylee@knnews.co.kr