차세대 수소 생산 "기술적 진전"…값비싼 촉매 사용량 98.5% 줄여

KIST, 음이온 교환막 수전해 시스템 '이리듐 혁신'…"덩어리를 원자로 바꿔 도포"

국내 연구진이 그린수소 생산 핵심 기술인 음이온 교환막 수전해(AEMWE)에서 촉매 사용량과 내구성, 효율을 획기적으로 개선하는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 극한물성소재연구센터 나종범 선임연구원과 김종민 책임연구원 연구팀(이상 교신저자)이 원자 하나로 제어할 수 있는 단원자 올인원(All-in-one) 촉매와 무접착 전극 기술을 결합한 차세대 수전해 촉매 소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

KIST가 그린수소 생산에서 촉매 사용량을 획기적으로 줄이는데 성공했다. 응우옌 퀸 프엉 박사후연구원(왼쪽)과 백새얀 학생연구원이 이리듐 촉매 반응을 시연 중이다.(사진=KIST)

연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials, IF:26.0, JCR : 2.5%) 최신 호에 게재됐다. 논문 제1저자는 극한물성소재연구센터 응우옌 퀸 프엉(Ngo Quynh Phuong) 박사후연구원과 백새얀 학생연구원이다.

연구팀은 "수소 발생 반응과 산소 발생 반응을 하나의 전극에서 안정적으로 동시에 수행할 수 있는 것이 특징"이라며 "차세대 그린수소 생산을 위한 기술적 진전"이라고 평가했다.

기존 수전해 시스템은 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)에 서로 다른 촉매와 전극 구조를 써야했다. 또 촉매로 고가 귀금속 사용이 불가피했다. 전극에 촉매를 고정하는 접착제가 전기 흐름을 저해하거나 장시간 운전 시 촉매 탈락을 유발했다.

연구팀은 원자 단위 정밀 제어 기술로 기존 덩어리 형태의 이리듐(Ir) 귀금속 대신 원자단위로 분산시킨 이리듐을 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 이리듐 극소량 만으로도 물 분해 반응이 일어나는 면적을 극대화할 수 있다.

특히, 이리듐 단원자는 지지체와 강한 상호작용을 통해 수소 발생 반응이 일어나는 직접적인 활성점으로 작용하는 한편 산소 발생 반응이 일어나는 니켈 기반 활성점 촉매 성능을 강화하는 역할을 했다.

나종범 선임연구원은 "하나의 단원자 촉매가 두 반응 모두 적합한 반응성을 갖는 양기능성 촉매 특성을 구현했다"며 "촉매를 전극 표면에 직접 성장시키는 방식으로 별도 접착제를 사용하지 않는 전극 구조를 구현했다"고 말했다.

기존 음이온 교환막 수전해와 단원자 올인원(All-in-one) 촉매 적용 기술 특성을 비교, 설명했다.(그림=KIST)

실험결과 이 기술은  이리듐 촉매 사용량을 최대 98.5%까지 줄였다.

수소 및 산소 발생 반응에서 이 촉매를 양극과 음극에 적용한 결과 2.0V에서 1.64 A·cm⁻²를 달성했다. 이는  1㎠(손톱보다 조금 큰 면적)당 1.64A의 전류가 흐른다는 것을 의미한다.

또 음이온 교환막 수전해 시스템에서 300시간 이상 ㎠당 1A로 연속 운전 뒤에도 성능저하가 거의 없는 안정성을 나타냈다.

나종범 선임연구원은 "수전해 시스템의 경제성과 내구성을 동시에 향상시킬 수 있는 기술적 가능성을 제시한 것"이라며 "수전해 장치 상용화를 앞당기고, 수소 에너지 확대에 실질적인 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다.