스토리

친환경 그린수소 생산을 위한 초고효율 나노촉매 개발


 

고려대 이과대학 화학과 이광렬 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 책임연구원팀 및 한국과학기술원(KAIST) 정유성 교수팀과 함께 수전해를 통한 친환경 그린수소 생산을 위한 획기적으로 가격이 절감된 고효율의 나노촉매를 개발했다. 개발된 나노입자는 백금이 소량 도입된 루테늄 산화물로써, 기존 사용되고 있는 상용 이리듐 및 루테늄 산화물 촉매를 뛰어넘는 고효율의 산소발생반응용 산화극 촉매이다.

 

수전해는 전기화학적 방법으로 물을 분해하여 그린 수소를 추출하는 기술이다. 기존의 화석연료로부터 얻는 그레이 수소는 1kg의 수소를 생산하는데 이산화탄소 10kg을 배출하는 데 반해 수전해를 통한 그린수소는 이산화탄소 배출이 없으며 친환경적이기 때문에 탄소중립 실현을 위해 효율적인 수전해 기술 개발은 필수이다. 수전해 성능 향상에는 고효율 산소발생 촉매가 필수적이며, 이에 이리듐 산화물이 주로 사용되고 있다. 

 

그러나, 이리듐은 높은 가격으로 인해 (2021년 12월 기준, 루테늄의 약 7배, 백금의 약 4배) 이를 대체할 물질의 개발이 시급하다. 루테늄 산화물은 이리듐 산화물에 비해 전기화학적 산소발생 반응에 높은 활성을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나, 루테늄 산화물은 전기화학적으로 불안정하기 때문에 실제 수전해 구동 환경에서 전해질 내에 쉽게 용출되어 사용할 수 없는 것으로 알려져 있었다.

 


 

이광렬 교수팀은 루테늄 산화물 표면에 소량의 백금을 도입하고, 이를 산성 전해질의 산소발생반응용 촉매로 사용하여 높은 에너지 효율과 장시간 구동에도 안정적인 내구성을 보임을 입증했다.
 

연구진은 새로 개발한 루테늄 산화물 기반 나노촉매를 이용하여 고분자전해질 수전해 시스템에 적용시 2.0 V에서 상용 이리듐 산화물 촉매의 질량 대비 2.5배 이상 증가한 수전해 성능을 보였다. 현재, 고분자전해질 수전해 시스템의 산화극으로 가장 많이 사용되고 있는 상용의 이리듐 산화물 촉매는 루테늄보다 비싸고 높은 전압에서 장시간 구동 시 성능이 감소한다. 그러나 연구진이 개발한 루테늄 기반의 나노촉매는 경제적 측면에서도 상용 이리듐 산화물 촉매보다 귀금속 사용량 대비 11배 이상의 우수성을 보이며, 장시간 구동에도 안정적인 촉매 활성을 보였다.

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