'세계 최고' 반도체 기술로 '초고효율' 수소 기술 개발

카이스트-KIST 공동 연구팀
고내구성에 촉매 사용량도 10분의 1 이하

3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용해 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지하는 기술이 개발됐다.

잉여 전자 저장소를 함유한 3차원 네트워크 구조의 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매. 그림출처=카이스트 제공

카이스트(KAIST)는 정연식 신소재공학과 교수가 한국과학기술연구원(KIST) 소속 김진영 박사·김동훈 박사와 공동으로 수소 생산 촉매가 반응 중 잃어버리는 전자를 신개념 산화물 반도체로부터 보충받는 새로운 원리를 활용해 고효율 및 고내구성 수소 생산 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

고순도 그린 수소를 생산하기 위해 신재생에너지로 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용하게 된다. 이때 주로 사용되는 이리듐(Ir) 촉매의 경우 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율과 고내구성을 동시에 달성할 수 있게 된다. 하지만 일반적으로 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 촉매 반응의 특성 때문에 효율과 수명이 현저히 저하되는 고질적인 문제가 있었다.

연구팀은 초미세 패턴을 적층해 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용했다. 이때 사용한 물질은 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물이며, 이 산화물 표면에는 ‘전자 저장소’역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용하였다. 이 독특한 산화물 반도체를 촉매 지지체로 사용하게 되면 표면에 위치한 산소 이온이 이리듐(Ir) 촉매로 충분한 양의 전자를 지속적으로 보충해 줌으로써 촉매의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지해 주게 된다.

연구팀은 이를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 이리듐(Ir) 상용 나노입자 촉매에 비해 최대 75배 개선된 세계 최고 수준의 성능 향상을 달성함과 동시에 높은 전류 밀도에서 장시간 구동하는 우수한 내구성 또한 확보했다.

잉여 전자 저장소를 함유한 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매 성능. 그림출처=카이스트 제공

정 교수는 “일반적으로 반도체 기술과 수소 생산은 크게 다른 분야로 여겨지지만, 기존 합성 기술로는 얻기 어려운 독특한 조성의 소재를 정밀 반도체 공정 기술로 구현함으로써 높은 효율을 달성할 수 있었고, 이는 기술 분야 간 융합의 중요성을 잘 보여주는 연구 사례”라고 덧붙였다. 김진영 KIST 박사는“기존 귀금속 촉매량의 10분의 1 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성해, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 언급했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난달 5일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr