국내 연구진이 원자 단위의 미세 조정을 통해 촉매 내부에 숨어있던 산소를 화학 반응에 참여시켜 그린수소 생산 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다.
성균관대학교 기계공학부 정형모 교수와 경북대학교 신소재공학부 이지훈 교수 공동 연구팀은 값비싼 귀금속을 쓰지 않는 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다. 이번 연구 결과는 환경·에너지 소재 분야 국제학술지 '어플라이드 카탈리시스 B: 환경과 에너지'에 게재됐다.
그린수소 생산의 핵심인 수전해 기술은 온실가스 배출 없이 순수한 수소를 얻을 수 있어 탄소중립의 '꿈의 기술'로 불린다. 하지만 이 과정에서 발생하는 산소발생반응(OER)이 느려 전체 수소 생산 효율을 떨어뜨리는 병목 현상이 문제였다. 이를 해결하기 위해 이리듐(Ir)이나 루테늄(Ru) 같은 고가의 귀금속 촉매가 주로 사용돼 생산 단가가 높았다.
연구팀은 '하향식 소재 설계 전략'을 도입해 이 한계를 극복했다. 전기화학적 방법으로 기존의 벌크 코발트 산화물을 2나노미터(nm) 이하의 초미세 나노 클러스터로 쪼갰다. 이 과정에서 코발트 금속과 산소 원자 간의 결합 길이를 약 0.1옹스트롬(Å·100억분의 1m) 수준으로 줄였다.
포항가속기연구소의 고성능 구조 분석을 통해 조절된 결합 길이인 2.03Å이 완전히 새로운 반응 경로를 유도하는 최적 조건임을 세계 최초로 규명했다.
이 기술의 핵심은 금속-산소 간 상호작용을 강화해, 보통 촉매 내부 구조에 머물러 있던 '격자 산소'를 반응에 직접 참여시킨 것이다. 새로 개발된 나노 촉매는 고가의 상용 이리듐 촉매보다 낮은 에너지로 작동하는 우수한 성능을 보였다.
또한 실제 시스템에 적용했을 때 100시간 이상 고전류 조건에서 성능 저하 없이 작동했으며, 차세대 아연-공기 전지에서도 뛰어난 충전 안정성을 입증했다.
정형모 교수는 "원자 단위의 결합 거리를 미세하게 제어해 촉매 반응 경로 자체를 완전히 바꿀 수 있음을 증명한 것이 이번 연구의 핵심"이라며 "고가의 귀금속을 대체해 고효율 그린수소를 생산하는 것을 넘어, 다양한 차세대 친환경 에너지 소자의 상용화를 앞당기는 중요한 기준이 될 것"이라고 설명했다.