(지디넷코리아=박희범 기자)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. 응우 야마토게임연타 옌 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 극한물성소재연구센 바다이야기APK 터 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 바다이야기무료머니 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 알라딘릴게임 (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 일 바다이야기예시 어나는 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.
박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)