그린수소 생산의 병목으로 꼽혀 온 수전해 촉매 구조가 단순해질 수 있는 길이 열렸다. 하나의 전극에서 수소와 산소 발생 반응을 동시에 수행하는 '올인원(All-in-one)' 단원자 촉매 기술이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 극한물성소재연구센터 나종범 박사와 김종민 박사 연구팀이 원자 하나 수준으로 정밀 제어한 단원자 촉매와 접착제를 쓰지 않는 전극 기술을 결합한 차세대 수전해 촉매 소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

망간·니켈 이중층수산화물 구조에 피틴산을 활용해 이리듐을 원자 하나 수준으로 균일 고정한 단원자 촉매 모식도. 하나의 촉매로 수소·산소 발생 반응을 동시에 수행하는 올인원 음이온 교환막 수전해 구조를 구현했다. 연구팀 제공

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그린수소는 물을 전기로 분해하는 수전해 방식으로 생산된다. 기존 수전해 시스템에서는 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)에 각각 다른 촉매와 전극 구조가 필요했고, 이 과정에서 이리듐 등 고가의 귀금속 사용량이 늘어나는 한계가 있었다. 전극에 촉매를 고정하기 위해 쓰는 접착제(바인더)가 전기 흐름을 방해하거나 장시간 운전 시 촉매 탈락을 유발하는 문제도 반복돼 왔다.

연구팀은 이리듐(Ir)을 덩어리 형태로 쓰는 대신, 원자 단위로 분산시켜 망간-니켈-피틴산 기반 지지체 표면에 균일하게 배치했다. 극소량의 귀금속만으로 반응 면적을 극대화한 것이다. 이리듐 단원자는 수소 발생 반응의 직접적인 활성점으로 작용하는 동시에, 산소 발생 반응이 일어나는 니켈 기반 활성점의 성능을 강화해 하나의 촉매로 두 반응을 모두 수행하는 양기능성을 구현했다.

여기에 촉매를 전극 표면에 직접 성장시키는 방식의 '바인더 프리' 전극 구조를 적용해 전기 전도성을 높이고 내구성 문제를 해결했다. 그 결과 귀금속 사용량은 기존 대비 1.5% 이내로 줄이면서도, 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 시스템에서 300시간 이상 연속 운전 후에도 성능 저하가 거의 없는 안정성을 입증했다.

기존 음이온 교환막 수전해는 양극·음극에 서로 다른 촉매가 필요해 구조가 복잡하고 비용이 높다(왼쪽). 단원자 올인원 촉매는 하나의 촉매로 두 반응을 구동해 구조를 단순화하고 귀금속·제조 비용을 절감, 장시간 안정성을 확보한다(오른쪽). 연구팀 제공

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이번 기술은 전극 구조 단순화와 귀금속 사용 최소화를 동시에 달성해 수전해 시스템의 경제성과 내구성을 함께 높일 수 있다는 점에서 의미가 크다. 연구진은 대규모 그린수소 생산 공정에서 요구되는 고출력·장기 운전 조건에 적용 가능성이 높다고 보고 있다.

나종범 KIST 선임연구원은 "귀금속 사용량을 크게 줄이면서 수소 생산에 필요한 두 반응을 하나의 촉매로 해결했다는 점에서 의미가 있다"며 "수전해 장치 상용화를 앞당기고 수소 생산 단가를 낮추는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업과 우수신진연구사업, DACU 원천기술개발사업, 한·미·일 국제공동연구사업으로 수행됐다. 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr
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