[이뉴스투데이 백연식 기자] 원자 하나로 수소와 산소를 동시에 생산해 귀금속 사용량을 줄이고 안정성도 높인 수전해 촉매가 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 극한물성소재연구센터 나종범 박사, 김종민 박사 연구팀이 원자 하나 수준까지 정밀 제어한 단원자 올인원(All-in-one) 촉매와 접착제를 사용하지 않는 전극 기술을 결합한 차세대 수전해 촉매 소재 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.
이번 기술은 수소 발생 반응과 산소 발생 반응을 하나의 전극에서 안정적으로 동시에 수행할 수 있는 것이 특징이다.
기존 수전해 시스템은 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)에 서로 다른 촉매와 전극 구조를 사용해야 하고, 고가의 귀금속을 다량 사용해야 하는 한계가 있었다.
또 전극에 촉매를 고정하는 접착제가 전기 흐름을 저해하거나 장시간 운전 시 촉매 탈락을 유발하는 문제도 존재했다.
KIST 연구진은 원자 단위 정밀 제어 기술을 통해 기존 덩어리 형태의 이리듐(Ir) 귀금속을 사용하는 대신 이리듐을 원자 단위로 분산시켜 망간(Mn)-니켈(Ni)-피틴산(Phytic acid) 기반 이중층수산화물 지지체 표면에 균일하게 배치했다.
이는 하나의 커다란 바위를 사용하는 대신, 작은 모래알을 넓게 펼쳐 놓은 것과 같은 원리로 극소량의 이리듐만으로도 물 분해 반응이 일어나는 면적을 극대화할 수 있다.
특히 이리듐 단원자는 지지체와의 강한 상호작용으로 수소 발생 반응의 직접적인 활성점으로 작용하는 동시에, 산소 발생 반응이 일어나는 니켈 기반 활성점의 촉매 성능을 강화하는 역할을 한다.
따라서 하나의 단원자 촉매가 두 반응 모두 적합한 반응성을 갖는 양기능성 촉매 특성을 구현했다.
연구팀은 촉매를 전극 표면에 직접 성장시키는 방식을 적용해 별도의 접착제를 사용하지 않는 전극 구조를 구현했다. 전기 전도성을 크게 향상시키고, 장시간 운전 시에도 우수한 내구성을 확보했다.
이 기술은 기존 귀금속 촉매 대비 귀금속 사용량을 1.5% 이내로 대폭 절감하면서도 수소 및 산소 발생 반응 모두에서 뛰어난 고효율의 성능을 달성했다.
또 음이온 교환막 수전해 시스템에서 300시간 이상 연속 운전 후에도 성능 저하가 거의 없는 높은 안정성을 입증했다.
이번 연구성과는 귀금속 사용 최소화와 전극 구조 단순화를 통해 수전해 시스템의 경제성과 내구성을 동시에 향상시킬 수 있는 기술적 가능성을 제시하며, 향후 그린수소 생산의 상용화와 수소 생산 단가 저감에 크게 기여할 것으로 기대된다.
나종범 KIST 박사는 “귀금속 사용량을 줄이면서도 수소 생산에 꼭 필요한 두 반응을 하나의 촉매로 해결했다는 점에서 의미가 크다”라며 “앞으로 수전해 장치의 상용화를 앞당기고, 수소 에너지 확대에 실질적인 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구성과는 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF:26.0, JCR(%): 2.5%) 최신 호에 게재됐다.
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