그린수소를 친환경적으로 저렴하게 생산할 수 있는 귀금속 촉매 대체 기술이 개발됐다.
UNIST(총장 이용훈)는 류정기 UNIST 에너지화학공학과 교수와 서동화 KAIST 신소재공학과 교수 공동연구팀이 높은 효율과 안정성을 가진 '고순도 그린수소 생산용 이기능성(Bifunctional) 수전해 촉매'를 개발했다고 11일 밝혔다.
개발 촉매는 부식성이 강한 산성 환경에서 장시간 사용할 수 있다. 루테늄과 실리콘, 텅스텐으로 만들어 기존 백금이나 이리듐 촉매에 비해 저렴하고, 온실가스 배출량도 4분의 1 이하라 친환경적이다.
물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해는 탄소 배출이 없는 차세대 탄소중립 기술이다.
공동연구팀은 강한 산성 환경에서도 안정적인 백금과 이리듐 같은 귀금속 전해질을 대체할 수 있는 물질을 연구했다. 루테늄은 상대적으로 가격이 저렴하고, 백금이나 이리듐 대비 각각 7분의 1, 4분의 1 정도로 적게 온실가스를 배출한다. 하지만 백금보다 촉매 반응이 느리고, 이리듐보다 안정성이 낮아 상용화하기 어려웠다.
연구팀은 루테늄에 실리콘, 텅스텐을 조합한 3원소 기반 산화물 촉매를 개발해 이 문제를 해결했다. 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘을 도핑한 구조다. 기존 단일 루테늄 촉매의 낮은 수소발생반응(HER)과 안정성이 떨어지는 산소발생반응(OER)을 동시에 개선해 이기능성(Bifunctional) 촉매로의 활용 가능성도 입증했다.
개발 촉매는 산성 전해질(산도 0.3) 환경에서 1㎠ 크기 전극에 10mA 전류를 흘린 안정성 실험 결과, 100시간 이상 구동에도 안정적으로 작동했다.
류정기 교수는 “값비싼 백금, 이리듐 소재를 동시에 대체할 수 있는 이기능 촉매 개발이라는 점에서 의미가 크다”며 “고순도 그린수소 생산 시스템인 양성자교환막(PEM) 전해조에 적용 가능할 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 전다솜 UNIST 에너지화학공학과 박사, 김동연 KAIST 신소재공학과 박사, 김현구 UNIST 에너지화학공학과 박사과정생이 참여했다. 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업과 지역혁신선도연구센터(RLRC)사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터(KISTI) 지원을 받았다.
연구 성과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 1월 4일자에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com