한양대 ERICA·KIST, 로듐 촉매로 청정수소 혁신

알칼라인 수전해 효율 극대화

한양대학교는 ERICA캠퍼스 화학분자공학과 김병현 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 이영준·이성호 박사 공동연구팀이 탄소 배출 없는 청정 수소 생산을 위한 고성능 촉매 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

(왼쪽부터) 교신저자 - 한양대 ERICA 김병현 교수, KIST 이영준 박사, KIST 이성호 박사. 한양대학교 제공

(왼쪽부터) 제1저자 - KIST Natarajan Logeshwaran 박사, 한양대 ERICA 김규찬 박사과정생＜사진=한양대 ERICA 제공＞

이번 연구로 알칼라인 수전해 방식의 한계를 극복하고, 경제성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 신개념 촉매(Rh-TiO2/CNF)를 제시하며 차세대 청정 수소 경제의 기반을 마련할 전망이다.

기존 알칼라인 수전해는 설비 비용이 낮고 구조가 단순한 장점에도 불구하고, 물 분해 과정에서 수소 이온 형성 및 수소 발생 반응의 속도가 상대적으로 느리다는 한계가 있었다. 이를 타개하기 위해 연구팀은 탄소 나노섬유(CNF)를 지지체로 활용하고, 그 위에 티타늄 산화물(TiO2)을 형성한 후 로듐(Rh) 단일 원자를 질소(Rh-Nx)와 산소(Rh-Ox)로 이중 고정하는 방식을 도입했다. 이로써 촉매 표면에서 물 분해의 에너지 장벽을 낮추고, 수소 발생 반응(HER)을 촉진하는 시너지 효과를 창출해 알칼라인 환경에서도 고효율 수소 생산이 가능해졌다.

이번 연구를 통해 개발한 촉매 및 알칼라인 수전해 시스템 모식도. 한양대학교 제공

연구팀은 다양한 실험과 계산화학 분석을 통해 Rh-Nx와 Rh-Ox의 조합이 수소 발생 및 물 분해 반응에 미치는 영향을 입증했다. 이 촉매는 셀 면적당 전류 밀도를 1 A cm?²까지 안정적으로 유지하며, 225시간 이상 고출력 운전이 가능함을 확인했으며, 산업화 단계를 고려한 2셀 AEMWE 스택에서도 우수한 안정성과 효율을 보여줬다. 특히, 기존 고가의 귀금속 촉매(Pt, Ir 등)를 대체하거나 보완할 수 있어 경제적 경쟁력도 크게 향상될 것으로 기대된다.

이영준 KIST 박사는 “이번에 개발된 바이너리 로듐 단일 원자 촉매 기술은 알칼라인 조건에서의 수소 생산 효율을 획기적으로 높여, 차세대 청정 수소 경제 실현에 기여할 것”이라고 설명했다. 김병현 교수도 “계산화학 기법을 통해 수전해 촉매 성능 향상 요인을 규명함으로써, 향후 신규 촉매 설계 및 산업적 적용에 큰 기여를 할 것”이라며 연구의 의의를 강조했다.

이번 연구 성과는 정부 및 산업계가 주목하는 친환경 에너지 기술 발전에 중요한 이정표로 평가되며, 향후 대형 전해조 시스템 등 산업 현장에 적용되어 국내외 청정 수소 생산 경쟁력을 크게 강화할 것으로 기대된다.

이은서 수습기자 libro@asiae.co.kr