순도 높은 그린수소, 친환경적으로 싸게 만든다… UNIST·KAIST 공동연구, 수전해 촉매 개발

고효율·안정성 가진 수전해 촉매

값비싼 백금·이리듐 대체 가능해

순도가 높은 그린 수소를 친환경적으로 싸게 생산하는 기술이 나왔다.

값비싼 귀금속 촉매를 대체한 기술로 탄소중립에 영향을 미칠 수 있어 주목된다.

UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 류정기 교수가 KAIST(총장 이광형) 신소재공학과 서동화 교수와 공동연구팀을 꾸며 높은 효율과 안정성을 가진 고순도의 그린수소 생산용 ‘이기능성(Bifunctional) 수전해’ 촉매를 개발했다고 11일 알렸다.

개발된 촉매는 부식성 강한 산성의 환경에서도 장시간 사용이 가능한 것으로 나타났다. 루테늄과 실리콘, 텅스텐(RuSiW)을 기반으로 만들어 기존의 백금(Pt) 혹은 이리듐(Ir) 촉매에 비해 저렴하다. 온실가스 배출량도 1/4 이하로 낮아 친환경적이다.

수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 수소를 생산하는 과정에서 탄소 배출 없이 친환경적인 수소를 생산할 수 있어 탄소 중립 사회를 위한 차세대 기술로 꼽힌다.

개발된 RuSiW 촉매의 투과전자현미경 사진(왼쪽), 원소매핑이미지(가운데), 텅스텐 도핑된 투과전자현미경사진(오른쪽).

연구팀은 산성에서 안정적인 백금이나 이리듐과 같은 귀금속 전해질을 대체할 물질을 연구했다. 루테늄은 생산 가격이 상대적으로 저렴하고 백금이나 이리듐보다 각각 1/7, 1/4 낮은 온실가스를 배출해 친환경적인 금속으로 인정받고 있다.

다만 백금보다 촉매 반응의 촉진 능력이 낮고 이리듐보다 안정성이 낮아 상용화에는 어려움이 있었다.

연구팀은 루테늄, 실리콘, 텅스텐 3원소 기반의 산화물로 촉매를 개발했다. 낮은 수소발생반응(HER)과 산소발생반응(OER)의 안정성이 떨어지는 루테늄 촉매의 기능을 동시에 개선해 이기능성(Bifunctional) 촉매로 가능성을 입증했다.

개발된 촉매는 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘이 도핑된 구조다. 촉매 표면에 양성자의 흡착 세기를 적절히 증가시켜 촉매의 반응 촉진 능력을 높였다. 상용화된 백금 촉매보다 수소발생반응에 대한 활성도가 뛰어나다. 5~10nm 수준의 얇은 텅스텐 막이 루테늄의 촉매 작용 부위를 보호해 안정성도 높였다.

연구팀은 촉매 안정성 실험을 진행했다. 산성 전해질(산도 0.3) 환경에서 1㎠ 크기 전극에 10mA의 전류를 흘렸다. 개발된 촉매는 100시간 이상 구동에도 안정적으로 작동했다.

UNIST 류정기 교수(왼쪽부터), 제1저자 김현구 연구원, 제1저자 전다솜 연구원(원 안).

KAIST 서동화 교수(왼쪽), 제1저자 김동연 연구원.

류정기 에너지화학공학과 교수는 “개발된 3원소 촉매는 기존의 값비싼 백금, 이리듐을 동시에 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “부식성이 강한 산성에서도 장시간 안정적이고 쉽게 합성할 수 있어 고순도 그린수소 생산 시스템인 양성자교환막(PEM) 전해조에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 전다솜 박사, KAIST 신소재공학과 김동연 박사, 그리고 UNIST 에너지화학공학과 김현구 박사과정생이 제1저자로 참여했다.

이번 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 지역혁신선도연구센터(RLRC)사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터(KISTI) 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 세계적인 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 4일 출판됐다.

영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr