음이온 교환막 수전해(AEMWE)는 전기 분해를 통해 고순도 수소를 생산하는 차세대 기술로, 높은 효율과 안정성을 갖춘 촉매 전극이 필수적이다. 현재 백금(Pt)이 대표적인 촉매로 사용되고 있지만, 높은 비용과 빠른 열화로 인해 상용화의 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하기 위해 비귀금속 기반 촉매가 연구되고 있으나, 낮은 효율과 불안정성이 문제였다.
이에 연구팀은 백금 대비 2배 이상 저렴한 루테늄(Ru)을 기반으로 한 '코어-쉘 나노클러스터 촉매'를 개발했다. 촉매의 크기를 2 nm이하로 줄이고, 귀금속 사용량을 상용 백금 전극의 3분의 1 수준으로 대폭 낮추었음에도 불구하고, 오히려 백금 촉매를 능가하는 성능을 달성하는 데 성공했다.
연구팀은 티타늄 발포체 기판 위에 과산화수소 처리를 통해 얇은 티타늄 산화층을 형성한 후, 전이금속 몰리브데늄(Mo)을 도핑하고, 그 위에 1~2 nm 크기의 루테늄 산화물 나노입자를 균일하게 증착했다. 이후, 정교한 저온 열처리를 통해 원자 수준에서 열확산을 유도하여 독창적인 코어-쉘 구조를 형성했다. 최종적으로 수소 발생 반응 도중 발생하는 전기화학적 환원 반응을 통해 코어-쉘 구조의 환원을 유도하였다. 그 결과, 개발된 촉매는 루테늄 금속 코어에 다공성의 환원 티타니아 (titania) 단일층을 갖는, 그리고 그 계면에 금속성의 몰리브데늄 원자들이 존재하는 독특한 코어-쉘 구조를 갖추게 되었다.
이 혁신적인 코어-쉘 촉매는 기존 백금 기반 촉매와 비교하여 동일한 귀금속 함량에서 4.4배 높은 성능을 기록했으며, 지금까지 보고된 수소 발생 촉매 중 세계 최고 수준의 성능을 자랑한다. 또한, 발포체 전극 구조를 적용해 반응물의 공급 속도를 최적화함으로써 고전류밀도에서 탁월한 안정성을 보였다. 나아가, 실제 AEMWE 산업 환경에서도 상용 백금 전극 대비 월등히 낮은 전력 소모량을 입증하며, 차세대 수전해 촉매의 강력한 후보로 자리매김했다.
연구팀은 "2 nm 미만의 코어-쉘 클러스터 촉매 개발과 그 뛰어난 성능 및 안정성은 수소 생산 효율을 획기적으로 향상시키며, 나노 코어-셀 소자 제작 기술과 탄소중립 시대를 위한 수소 생산 기술에 중대한 기여를 할 것"이라고 강조했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 우수신진, 기초연구실 사업 및 교육부 4단계 BK21 사업의 지원을 받아 수행되었다. 또한 연구 결과는 촉매 분야 저명학술지인 Energy & Environmental Science (IF 32.4, JCR 분야 상위 0.5%) 최신호에 게재되었다. 특히, 본 연구는 학술지의 커버 논문으로 선정되며, 그 혁신성과 학문적 가치를 인정받았다.
논문의 제1저자인 임현우 박사는 우수한 연구성과를 바탕으로 올해부터 정부의 세종펠로우십 사업의 지원을 받아 서울대학교 재료공학부 김진영 교수의 연구실에서 박사후연구원으로서 연구를 이어가는 중이다. 특히 이번에 개발한 촉매의 구조인 '코어-쉘 구조'를 실제로 상용화하는 후속 연구를 집중적으로 수행할 예정이다.
정래연기자 fodus0202@dt.co.kr
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