"수소에너지 판 바뀐다" KAIST, 촉매 효율·내구성 한계 동시 극복

촉매는 수소에너지의 '보이지 않는 엔진'이다. 수소를 만들고 전기를 생산하는 과정을 좌우한다는 맥락에서다. 다만 기존 촉매는 알갱이 형태로 값비싼 귀금속을 비효율적으로 사용하고 수명도 짧은 한계를 보였다. 이를 극복해 귀금속 사용량을 줄이는 동시에 수소생산과 연료전지의 성능은 높이는 기술이 국내에서 개발됐다. 핵심 키워드는 촉매 재료가 아닌 '형태의 혁신'에 있다.

KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이고도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상할 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다.

연구는 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트 구조를 이용해 기존 촉매의 효율과 내구성 한계를 동시에 극복하는 데 주안점을 뒀다.

연구팀이 개발한 '초박막 이리듐 나노시트' 이미지(AI 생성). KAIST 제공

수전해 장치와 연료전지는 수소 에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심 기술이다. 하지만 이 기술을 실현하는 데 촉매로 사용하는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)은 희귀하고 고가라는 점에서 상용화에 걸림돌이 돼 왔다.

무엇보다 기존 촉매는 작은 입자 형태여서 실제 반응에 활용되는 면적이 제한적이고 장시간 사용하면 성능 낮아지는 현상을 피하기 어려웠다.

이에 착안해 연구팀은 알갱이처럼 뭉쳐 있는 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼치는 형태의 혁신을 고안했다. 수전해 촉매로 지름 1~3㎛, 두께 2㎚ 이하의 초박막 이리듐 나노시트를 개발해 같은 양의 이리듐으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘린 것이 핵심이다. 이는 소량의 금속으로도 보다 많은 수소를 만들 수 있게 하는 단초가 됐다.

또 기존에는 전기가 잘 통하지 않아 촉매 지지체로 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 초박막 나노시트가 서로 이어져 연결된 '전기가 다닐 수 있는 길'을 스스로 만들어 산화티타늄이 안정적인 촉매 받침대로 사용될 수 있게 했다.

이 결과 연구팀이 개발한 촉매(구조)는 상용 촉매보다 수소 생산 속도가 38% 빨라지고 실험실을 넘어 실제 산업 현장에 가까운 고부하 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동하는 성능을 나타냈다.

특히 이리듐 사용량을 기존보다 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 보여 귀금속 사용량을 획기적으로 낮출 수 있음이 입증됐다.

(왼쪽부터) KAIST 양현우 박사과정, 이상재 박사, 조은애 교수, 신동원 박사과정. KAIST 제공

연구팀은 이 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용해 머리카락 두께의 수만 분의 1에 불과한 백금-구리 촉매를 만들어 반응 효율을 극대화하는 데도 성공했다. 이 촉매는 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 13배 높아졌으며 실제 연료전지 셀에서도 2.3배 높은 성능을 보였다.

또 5만회에 걸친 가속 내구성 시험을 마친 후에도 초기 성능의 65%를 유지해 기존 촉매보다 뛰어난 내구성이 입증됐다.

조 교수는 "연구를 통해 값비싼 귀금속을 획기적으로 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능은 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다"며 "이번 연구는 수소 에너지의 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr