UNIST·KAIST 공동연구팀, 고효율·안정성 가진 수전해 촉매 개발
값비싼 귀금속 촉매 대체 가능… 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 게재

국내 연구진이 그린수소를 더 값싸고 친환경적으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

11일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 에너지화학공학과 류정기 교수와 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 서동화 교수 공동연구팀은 높은 효율과 안정성을 가진 고순도 그린수소 생산용 이기능성(수전해에서 수소·산소발생반응에 모두 활용할 수 있는 성질) 수전해 촉매를 만들었다.

수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술로, 수소 생산 과정에서 탄소 배출 없이 친환경으로 수소를 생산할 수 있어 탄소중립 사회를 위한 차세대 기술로 꼽힌다.

연구팀은 산성에서 안정적인 백금이나 이리듐 등 귀금속 전해질을 대체할 물질을 연구했다.

루테늄은 생산 가격이 상대적으로 저렴하고, 백금이나 이리듐보다 적은 온실가스를 배출한다.

하지만, 백금보다 촉매 반응 촉진 능력이 낮고 이리듐보다 안정성이 낮아 상용화에는 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 루테늄, 실리콘, 텅스텐 기반의 산화물로 촉매를 개발했다.

낮은 수소 발생반응과 산소발생반응의 안정성이 떨어지는 루테늄 촉매의 기능을 동시에 개선해 이기능성 촉매로서 가능성을 입증했다.

개발된 촉매는 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘이 도핑된 구조로, 촉매 표면에 양성자 흡착 세기를 적절히 증가시켜 촉매 반응 촉진 능력을 높였다.

특히 상용화된 백금 촉매보다 수소 발생반응에 대한 활성도가 뛰어나고, 5∼10㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 수준의 얇은 텅스텐 막이 루테늄의 촉매 작용 부위를 보호해 안정성을 높였다고 연구팀은 설명했다.

촉매 안정성 실험에서는 산성 전해질(산도 0.3) 환경에서 1㎠ 크기 전극에 10㎃의 전류를 흘렸다. 그 결과, 촉매는 100시간 이상 구동에도 안정적으로 작동했다.

류정기 교수는 “개발된 촉매는 값비싼 백금, 이리듐을 동시에 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “부식성 강한 산성에서도 장시간 안정적이고 쉽게 합성할 수 있어 고순도 그린수소 생산 시스템인 양성자교환막 전해조에서도 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 게재돼 지난 4일 출판됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 지역혁신선도연구센터사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터 등의 지원을 받았다.