수소 생산 에너지 효율 높이는 '수전해 촉매' 개발

대전=정일웅 기자

입력 2026.10.08 12:01

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수소 생산에 필요한 수전해 구동 전압을 낮추는 촉매가 개발됐다. 이를 활용하면 수전해에 필요한 전력 소모를 줄여 수소 생산의 에너지 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단은 홍익대 이원규 교수 연구팀이 기존보다 수전해 구동 전압을 1/8 수준으로 낮출 수 있는 촉매를 개발, 이를 이용해 실제 수소를 생산하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.

층상 백금 셀레늄 화합물 표면을 산소 플라즈마로 처리해 백금 나노클러스터와 비정질 산화층이 공존하는 이종구조를 형성한 후 이를 하이드라진 보조 수전해의 양·음극에 동시에 적용하는 방식이다.

산소 플라즈마 기반의 백금 셀레늄화합물 표면 재구성과 촉매 활성 향상 및 저전압 수전해 구현 개념도. 홍익대 이원규 교수

층상 백금 셀레늄 화합물은 백금과 셀레늄이 층층이 쌓인 구조로 이뤄진 소재다. 하이드라진은 질소와 수소로 이뤄진 화합물로 연료전지·의약품 등을 제조하는 과정에서 쓰인다.

수소는 탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원으로 꼽힌다. 다만 물을 전기 분해해 수소를 만드는 기존 수전해 공정은 양극의 산소 발생 반응이 느리고, 많은 에너지가 필요해 전체 구동 전압을 높이는 데 한계를 보인다.

낮은 전압에서 수소 생산이 가능한 하이드라진 산화반응을 이용해 양극 반응을 대체하는 방법은 기존 한계를 해결할 방법으로 주목받는다.

하이드라진 산화반응은 하이드라진이 전기화학 반응으로 분해되면서 질소와 수소이온, 전자를 내놓은 반응을 말한다. 하지만 이를 활성화하는 데 쓰이는 백금계 촉매는 반응과정에서 생성되는 중간체가 촉매 표면에 쌓여 시간이 지날수록 성능이 떨어져 또 다른 문제를 낳는다.

고가의 백금을 효율적으로 활용하면서, 장시간 안정적으로 작동할 수전해 촉매가 필요한 배경이다.

연구팀은 촉매 소재인 층상 백금 셀레늄 화합물 표면에 산소 플라즈마를 쬐는 방법으로 기존 문제를 해결했다. 수전해에서 산소를 만드는 기존의 양극 반응 대신에 하이드라진을 산화해 상대적으로 낮은 전압으로 수소를 생산한 것이다.

산소 플라즈마 처리를 거친 백금 셀레늄 화합물 표면에는 비정질 산화층과 백금 클러스터가 공존하는 표면 이종구조가 형성됐다.

이 구조는 백금 클러스터에서 비정질 산화층으로 전자가 이동해 하이드라진의 질소-수소 이온 결합이 쉽게 끊어지고, 반응 중간체가 빠르게 제거돼 기존 촉매의 고질적 성능 저하 문제를 해결할 수 있었다는 게 연구팀의 설명이다.

실제 연구팀이 개발한 촉매를 양극과 음극 양쪽에 적용해 대칭형 하이드라진 보조 수전해 시스템을 제작했을 때 기존 산소 발생 반응 기반의 수전해보다 구동 전압이 1/8 수준으로 낮아졌다. 또 140시간 연속 구동 후에도 성능이 유지되는 것으로 확인됐다.

이 교수는 "이번 연구는 산소 플라즈마로 하나의 백금 셀레늄 화합물 표면에 두 반응을 모두 촉진하는 구조를 만들었다는 점에서 차별성을 갖는다"며 "수소 생산의 에너지 효율과 반응 중간체의 흡착으로 촉매 활성이 낮아지는 다양한 전기화학 반응에 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.