백금, 이리듐 같은 귀금속 촉매를 적게 쓰면서 그린수소를 친환경적으로 생산할 수 있는 수전해 촉매기술이 나왔다. 그린수소를 생산하는 고분자전해질막(PEM) 수전해 기술의 상용화를 앞당기는 데 기여할 전망이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 김진영 박사 연구팀이 나노구조 조절을 통해 이리듐 사용량을 20분의 1 수준으로 줄인 '수전해 양극 촉매'를 개발했다고 29일 밝혔다.
수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 과정을 거쳐 그린수소를 생산한다. 그런데 전기에너지를 수소와 산소로 전환하는 데 백금, 이리듐 같은 비싼 귀금속 물질이 촉매로 쓰인다. 이리듐 등 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이기 위해 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술, 나노 구조체 연구 등이 진행되고 있지만, 수전해 장치 구동 조건에 적합하지 않거나 대량 생산에 필요한 기술을 확보하지 못했다.
연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형 표면구조를 가지며 속이 비어 있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고, 전기전도성과 기체 이동성이 우수해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능한 강점이 있다. 이를 통해 수전해 활성을 높일 수 있다.
이 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용한 결과, 상용 수준보다 이리듐 사용량을 20분의 1 수준으로 줄였음에도 1.7볼트 기준으로 상용 촉매에 비해 4배 높은 수전해 성능을 보였다. 또 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 보이며 안정적인 수전해 구동 특성을 확보했다. 연구팀은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 대면적 전극 제작 공정 연구를 할 계획이다.
김진영 KIST 박사는 "고가의 이리듐을 적게 쓰고도 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산단가를 낮출 수 있음을 확인한 연구"라며 "촉매의 물리적 구조 변형을 통해 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능을 개선하고, 이를 대체하는 기술 상용화에 기여할 것"이라고 말했다.
이 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 뒷면 표지로 게재됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
KIST 연구팀이 개발한 요철 표면 구조의 이리듐 나노튜브 촉매 개발 모식도. KIST 제공
한국과학기술연구원은 요철형 나노표면 구조 조절을 통해 이리듐 촉매 사용량을 줄여도 수전해 성능과 내구성을향상시키는 양극 촉매를 개발했다. KIST 제공
