"귀금속 4분의 1로 백금급 효율"…고성능 수소 촉매 개발

국내 연구진이 귀금속 사용량을 4분의 1로 줄이면서도 기존 백금 촉매와 비슷한 성능을 내는 고효율 수소 생산 촉매를 개발했다.

KAIST는 28일 화학생명공학과 이진우 교수 연구팀이 '원자층 이웃' 구조를 기반으로 한 고성능 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 KAIST 김형준 교수, 건국대 이용 장 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 문준희 박사, 한국화학연구원(KRICT) 김성준 박사팀과 공동으로 진행됐다.

수전해 기술은 전기로 물을 분해해 수소와 산소를 얻는 방식으로, 그린수소 생산의 핵심이다. 하지만 수소 생산 반응에 필요한 촉매가 고가의 귀금속을 사용해 비용 절감 기술이 필요한 상황이었다.

기존 귀금속 나노입자 촉매는 원자들이 덩어리져 있어 내부 원자들이 반응에 참여하기 어려웠다. 이를 보완한 단일원자 촉매는 원자들이 너무 떨어져 있어 여러 원자의 협력이 필요한 반응에서는 성능에 한계가 있었다.

연구팀은 루테늄(Ru) 원자 서너 개를 원자 한 층 두께로 모은 '원자층 이웃' 구조를 고안했다. 이 구조는 원자들이 서로 협력하면서도 덩어리를 형성하지 않아 촉매 효율을 극대화한다. 연구팀은 텅스텐 카바이드(WCₓ) 지지체에 원자들을 안정적으로 고정하는 데 성공했다.

개발된 촉매는 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 전지에서 실험한 결과, 제곱센티미터당 9.82암페어(A/cm²)의 전류 밀도를 기록했다. 이는 상용 백금 촉매와 비슷한 수준의 성능이다.

특히 귀금속 사용량은 상용 백금 촉매의 4분의 1에 불과했으며, 귀금속 단위 질량당 촉매 활성은 약 4배 높았다. 500시간 연속 가동 테스트에서는 성능 저하가 백금 촉매의 절반 수준에 그쳐 안정성도 입증했다.

이번 연구 결과는 수소 생산 설비의 귀금속 사용량을 줄이고, 촉매 교체 및 유지보수 비용을 낮추는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

공동 제1 저자인 김성빈 연구교수는 "소량의 귀금속 원자들을 모으고 주변 물 반응 환경을 최적화해 효율적인 수소 생산을 가능하게 했다"며 "수소 생산 설비의 귀금속 사용량을 줄이는 데 도움이 되기를 바란다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난 9월 22일 온라인 게재됐다.