KAIST, 촉매층 내부 물질 이동 통로 새롭게 설계

탄소 결합으로 유도된 Ru-C bond 및 촉매층 구조설계를 통한 세계최고 수준 음이온교환막 수전해 모식도. [사진=KAIST] 

[이뉴스투데이 백연식 기자] 국내 연구진이 마치 꽉 막힌 도로에 고속도로를 뚫듯, 기포를 빠르게 내보내고 수소 생산 효율을 높이는 혁신적인 기술을 개발해 이 난제를 해결했다.

KAIST는 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 한국화학연구원 김성준 박사 연구팀, 건국대학교 이장용 교수 연구팀과 함께 촉매 활성 자체를 높이는 기존 방식에서 벗어나, 촉매층 내부에서 물과 기체가 지나가는 ‘길’을 새롭게 설계해 수전해 성능과 안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

연구팀은 종이처럼 얇은 2차원 메조다공성 탄소(2D mesoporous carbon·나노 크기의 미세한 구멍이 많은 얇은 탄소 구조체) 나노시트를 활용해 물질들이 막힘없이 이동할 수 있는 저굴곡(low-tortuosity·물질 이동 경로가 꼬이지 않고 직선에 가까운 구조) 구조를 만들었다. 쉽게 말해, 좁고 복잡한 골목길 대신 물과 기체가 빠르게 지나갈 수 있는 ‘고속도로 같은 통로’를 촉매층 안에 구현한 것이다.

여기에 결함(defect)이 도입된 탄소 표면에 루테늄(Ru) 나노클러스터(nanocluster·수 nm 크기의 초미세 금속 입자)를 안정적으로 고정해 수소 발생 반응 속도를 높이는 동시에 장시간 구동 시에도 촉매가 손상되지 않도록 계면(interface·서로 다른 물질이 맞닿는 경계면) 구조를 제어했다.

이 기술을 통해 수전해 과정에서 발생하는 기포가 촉매층 내부에 쌓이지 않고 빠르게 배출되는 것을 확인했으며, 고전류가 흐르는 극한 환경에서도 안정적인 반응이 유지됐다.

그 결과 80℃ 환경에서 세계 최고 수준인 17.1 A cm⁻²의 성능을 기록하며 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2026년 목표치를 크게 뛰어넘었다. 이는 단위 면적당 흐르는 전류량을 의미하는 수치로, 값이 높을수록 더 많은 수소를 빠르게 생산할 수 있다는 뜻이다.

또한 낮은 귀금속 사용량(0.09 mgRu cm-2) 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동해 실제 산업 현장에서의 활용 가능성을 입증했다. 이는 촉매에 사용되는 귀금속 루테늄의 양을 크게 줄인 수준으로, 수전해 시스템의 경제성을 높일 수 있다는 의미도 가진다.

이번 연구의 핵심은 단순히 ‘좋은 촉매’를 만든 것이 아니라, 수소가 만들어지는 길 자체를 새롭게 설계했다는 점이다. 기존 수전해 장치는 반응 과정에서 생기는 기포가 내부에 쌓이며 물과 전기의 흐름을 막아 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 연구진은 기포가 빠르게 빠져나갈 수 있도록 촉매층 구조를 바꿔 이러한 문제를 해결했다.

이번 기술은 앞으로 친환경 수소를 더 싸고 효율적으로 생산할 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미가 크다. 현재 수소는 탄소중립 시대의 핵심 청정에너지로 주목받고 있지만, 생산 비용이 높고 시스템 효율이 낮다는 한계가 있었다. 특히 기존 고성능 수전해 장치는 비싼 귀금속을 많이 사용해야 해 대규모 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 이번 기술이 적은 양의 귀금속만으로도 높은 성능과 안정성을 구현할 수 있다는 가능성을 보여줬다고 설명했다. 향후 대규모 그린수소 생산, 친환경 발전 시스템, 수소차·친환경 모빌리티, 탄소중립 산업 공정 등 다양한 분야로 확대될 수 있을 전망이다.

이 교수는 “이번 연구는 촉매 자체뿐 아니라 에너지가 흐르는 길까지 함께 설계해 수전해 효율을 높인 기술”이라며 “적은 양의 귀금속만으로도 고효율 그린수소 생산이 가능해 향후 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.