광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 윤명한 신소재공학과 교수팀이 수소 생산에 필수적인 백금(Pt) 촉매가 전극의 표면을 넘어 내부 전체에 고르게 퍼지도록 하는 차세대 촉매 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
백금은 물을 전기분해해 수소를 만드는 수소 발생 반응(HER)에서 가장 뛰어난 성능을 보이는 핵심 촉매지만 가격이 매우 비싸 전극 표면에 얇게 코팅하는 방식으로 제한적으로 사용한다.
연구팀은 백금 입자를 단순히 작게 만드는 대신 촉매가 작동할 수 있는 공간 자체를 전극 내부까지 확장하는 새로운 전략을 제시했다. 전기가 잘 통하고 물속에서 부풀 수 있는 매우 얇은 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 필름을 황산으로 처리해 전도성이 낮은 성분을 제거하는 대신 내부에 미세 통로가 형성된 다공성 나노섬유 구조로 만들었다.
또한 Pt 이온이 포함된 용액에서 펄스 전류 전기전착 공정을 적용해 백금이 필름 표면이 아닌 내부까지 스며들어 균일하게 형성되도록 했다. 그 결과, 기존처럼 표면에만 집중되던 백금과 달리 필름 전체에 고르게 분산된 구조를 구현하는 데 성공했다.
실험 결과 동일한 양의 백금을 사용할 때 실제 반응에 참여하는 면적(ECSA)을 기존 대비 2.4배 이상 확대하고 백금 1g당 촉매 성능을 약 3.2배 향상시키는 것으로 나타났다. 수소 생성 반응뿐 아니라 메탄올 산화 반응(MOR)에서도 더 높은 활성도를 보였으며, 빛을 비추면 반응 속도가 더욱 증가하는 효과도 증명했다.
이번 연구가 적은 양의 백금으로도 높은 성능을 구현해 수소 생산 및 연료전지에 적용 가능한 차세대 전기화학 전극 플랫폼을 제시할 것으로 기대한다.
윤명한 교수는 “적은 양의 Pt로도 높은 성능 구현이 가능해 수소 생산, 연료전지, 다양한 전기화학 에너지 변환 기술은 물론 바이오와 생체 친화 전기화학 장치에도 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
