"귀금속 사용 줄여도 수소 생산효율 높아"…고성능 수전해 촉매 개발

귀금속 사용량을 줄여도 수소 생산 효율은 높은 고성능 수전해 촉매가 개발됐다. 그린수소 생산 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

AI 생성 이미지. KAIST

KAIST는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 화학과 김형준 교수·건국대 이장용 교수·한국기초과학지원연구원(KBSI) 문준희 박사 연구팀·한국화학연구원(KRICT) 김성준 박사와 '원자층 이웃체' 구조를 적용한 고성능 수전해 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 만드는 기술이다. 태양광·풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 이용하면, 탄소 배출을 줄인 '그린 수소'를 얻을 수 있다.

하지만 수소 생산 과정에서 반응을 돕는 촉매에는 고가의 귀금속이 사용돼 부담이 크다. 귀금속을 적게 쓰면서도 성능을 높이는 기술이 필요한 대목이다.

기존 귀금속 나노입자 촉매는 여러 원자가 덩어리로 모여 안쪽에 묻힌 원자까지 반응에 참여하기 어려웠다. 고가의 재료를 쓰고도 전체를 활용하지 못하는 비효율이 생긴 셈이다.

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공동연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 '원자를 낭비 없이 활용하면서, 이웃한 원자끼리 협력하게 한다'는 방법을 고안했다. 귀금속의 일종인 루테늄(Ru) 원자 몇 개를 원자 한 층 두께로 모아 배치하는 '원자층 이웃체'를 만든 게 핵심이다.

이때 루테늄 원자가 모여 만들어진 구조를 유지하려면 원자를 받쳐주는 바탕 소재인 '지지체'가 필요하다. 이 조건을 맞추기 위해 공동연구팀은 촉매를 만드는 초기 단계에서 원자가 큰 덩어리로 뭉치지 않도록 하고, 열처리 과정에서는 텅스텐 탄화물 지지체에 단단하게 붙을 수 있게 했다.

원자 주변에서 물이 반응하는 환경도 개선했다. 지지체 표면의 수산화종(OH)이 물 분자 간 연결을 강화해 수소가 보다 빠르게 전달될 수 있게 하고, 수소를 만드는 원자의 배치와 주변 물 분자의 연결을 함께 조절해 반응이 원활하게 일어나도록 한 것이다.

개발한 촉매는 수소 생산 장치 '음이온 교환막 수전해 셀'에 적용했을 때 상용 백금 촉매보다 귀금속을 75%가량 적게 쓰고도, 비슷한 양의 수소를 생산하는 게 가능했다. 같은 무게의 귀금속이 발휘하는 촉매 성능도 4배가량 높았다.

이 촉매는 500시간 연속 작동 시험에서도 성능 저하가 비교 대상 백금 촉매의 절반 수준에 그쳤다. 이는 상대적으로 적은 양의 귀금속으로도 고성능을 낼 수 있고, 성능이 안정적으로 유지될 수 있음을 의미한다.

연구 성과는 수소를 생산하는 과정에서 고가의 귀금속 사용량을 줄이고, 촉매 교체와 유지관리 부담을 낮추는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

한편 이번 연구에는 KAIST 김성빈 연구교수·전현우 연구원·박지혜 연구원과 한국화학연구원 김성준 박사가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난달 22일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr