비싼 백금 사용 10분의 1로 줄여 수전해 셀 생산

비싼 백금 사용 10분의 1로 줄여 수전해 셀 생산

이데일리 2025-01-31 09:10:47 신고

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[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 백금 사용량을 기존 대비 10분의 1 수준으로 줄여 수전해 셀의 경제성을 높일 가능성을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 김형준 화학과 교수 연구팀과 음이온 교환막 기반 수전해 셀의 성능과 안정성을 높이는 고성능 고안정성 귀금속 단일 원자 촉매를 개발했다고 31일 밝혔다.

KAIST 연구진.(왼쪽위부터 시계방향으로)김성빈 연구교수, 신승재 교수, 김호영 박사, 이진우 교수, 김형준 교수.(사진=KAIST)


수전해 셀은 물을 전기화학적으로 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 산업적 활용을 위해선 비싼 백금을 사용해야 한다는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 귀금속 촉매의 열화 메커니즘을 역이용하는 ‘자가조립원조 귀금속 동적배치’ 전략을 개발했다. 이 방법은 1000도 이상의 고온에서 귀금속이 탄화물 지지체에 단일원자로 분해돼 안정적으로 지닌 합성 기술이다. 이를 통해, 상용 백금 촉매 대비 10분의 1 수준의 백금 사용량으로도 더 높은 성능과 안정성을 구현했다.

단일 원자 촉매는 금속 원자가 지지체 표면에 고립된 형태로 담지돼 높은 귀금속당 촉매 효율을 나타낸다. 하지만 기존 저온 환원법에서는 촉매 성능과 안정성을 확보하기 어려웠다.

연구팀은 귀금속 전구체와 고분자 사이의 분자적 상호작용과 귀금속·지지체 사이의 상호작용을 응용해 자가조립원조 귀금속 동적배치라는 단일 원자 촉매합성 메커니즘도 제시했다. 백금뿐만 아니라 이리듐, 팔라듐, 로듐 등 다양한 귀금속 단일 원자 촉매에도 적용할 가능성도 선보였다.

그 결과, 백금 단일 원자 촉매는 염기 조건 수소 생성반응에서 높은 안정성을 가지며 높은 밀도의 귀금속 활성점을 통해 우수한 수소 생산 성능을 보였다. 특히 상용 백금 촉매 대비 5배 높은 귀금속당 수소 생산 성능을 나타냈다.

이번 연구는 김성빈 KAIST 생명화학공학과 김성빈 연구교수가 주도하고, 신승재 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수, 김호영 한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지센터 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

김성빈 연구교수는 “이번 기술로 수전해 셀의 원가를 줄일 수 있다”며 “연구에서 제시한 귀금속 배치 전략은 수전해 셀뿐만 아니라 다양한 귀금속 기반 촉매 공정에도 응용할 수 있어 산업적 파급력이 클 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지 인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 게재됐다.

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