ESG위한 신개념 수전해 전극 촉매 개발됐다

친환경-탄소중립 수소생산을 위해 낮은 가격/고성능/고내구성 삼박자를 갖춘 새로운 수전해 전극 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

전기화학적으로 물을 분해하여 수소를 제조하는 수전해법은 친환경-탄소중립 수소연료를 얻을 수 있는 청정 기술로서 주목받고 있으며, 특히 화석연료 자원이 매우 적은 대한민국의 차세대 유전이 될 것으로 기대되고 있다. 그러나 높은 에너지 효율을 위해 필요한 핵심 소재, 촉매로 사용되는 이리듐은 백금의 5배에 달하는 높은 가격과 낮은 내구성을 가지고 있어서 기술 상용화의 장벽이 되어왔기에 이를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 개발이 필수적이다.

고려대 화학과 이광렬 교수와 김병윤 박사는 경북대학교(Dr. Mrinal K. Kabiraz, 최상일 교수), 한국과학기술연구원(KIST, 오형석 박사), 한국과학기술원(KAIST, 이재완 연구원, 최창혁 박사, 정유성 교수), 한국기초과학지원연구원(KBSI, 백현석 박사) 등과 공동연구를 통해 흔한 원소인 니켈과 철을 기반으로 하는 나노입자를 합성하고, 이리듐 촉매를 뛰어넘는 높은 에너지 효율과 반영구적인 내구성을 가지는 새로운 촉매를 개발했다.

연구진은 니켈기반 산화물과 수산화물의 특이적인 결정결합 구조를 고안하여 약 30나노미터 정팔면체 형태의 수직결정 헤테로에피택시 촉매입자를 합성했고, 나노촉매가 도포된 전극에 전류를 흘려주면 물을 분해하여 수소와 산소 기체를 생산하는 수전해 전지를 제작했다.

새로 개발된 나노촉매는 알칼라인 수전해 반쪽전지에서 기존 상용 이리듐 촉매 대비 20배 이상 증가한 촉매 활성도를 보였으며, 상용 이리듐 촉매가 수소생산 구동 2시간 만에 초기성능의 70%를 상실한 것에 비해 새로운 나노촉매는 100시간의 구동에도 초기성능을 완전하게 유지했다. 제 1저자인 고려대 화학과 소속 김병윤 박사는 “서로 다른 결정성 물질을 접합한 것이 기술의 핵심이며, 촉매 활성이 높지만 불안정한 물질을 안정한 물질의 표면에 단단히 고정하여 매우 높은 성능과 반영구적인 내구성을 동시에 확보할 수 있었다.”고 설명했다. 또한, 결정결합과정에서 제어된 나노미터 규모의 구조 성형원리와 그로인한 독자적인 물성을 규명하는 것이 연구의 핵심이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단(중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 4단계BK21사업 등)을 비롯해 KIST, KBSI, 국가슈퍼컴퓨팅센터 등의 지원을 받아 진행됐다.