한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단의 김명근 박사와 유성종 박사 연구팀이 고내구성 탄소 지지체를 활용해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 발표했다.
전 세계적으로 수소 수요가 급증함에 따라 수전해 설비의 대형화가 추진되고 있지만, 이리듐 촉매의 높은 가격과 공급 불안정성이 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 이리듐은 주로 남아프리카에서 채굴되므로 안정적인 공급을 위해 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 시급하다.
연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응에서 쉽게 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요했다. 연구진은 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 적용해 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응을 억제하는 데 성공했다.
또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상시키기 위해 셀레늄(Se)을 도입하여 이리듐의 변화를 억제하는 기능을 갖춘 얇은 수산화물 층을 형성했다. 이를 통해 이리듐의 용출을 방지할 수 있었다.
상용화된 수전해 설비에 적용한 결과, 이리듐 사용량은 기존의 0.05 mg/cm²로 줄어들었으나 성능은 향상되었으며, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매의 성능(2.45 A/cm²)을 초월하는 결과를 보였다.
이번 연구는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 생산 단가를 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 개발과 성능 확보를 위한 전략을 제시했으며, 대규모 촉매 합성 기술을 통해 그린 수소 생산 단가를 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 강조했다.
이 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」에 표지논문으로 게재됐다.
Copyright ⓒ 이웃집과학자 무단 전재 및 재배포 금지
