두 가지 결정 구조가 존재하는 이리듐 산화물이 형성되는 과정도.

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광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 박찬호 화학과 교수팀이 수소 생산에 필요한 핵심 금속인 이리듐(Ir)의 사용량을 크게 줄이면서도, 안정적으로 작동하는 촉매와 이를 적용한 고성능 전극을 개발했다고 25일 밝혔다.

수소를 생산하는 대표적인 친환경 기술인 수전해는 물을 전기로 분해해 수소(H₂)와 산소(O₂)로 나누는 방식으로, 탄소 배출이 거의 없어 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 이 과정에서 이리듐은 물에서 산소를 만들어내는 반응을 촉진하는 핵심 촉매로 사용한다. 하지만 가격이 비싸고 희귀해 성능과 수명을 동시에 확보하기 어렵다.

연구팀은 단단하고 규칙적인 결정형 구조와 유연하고 불규칙한 비정질 구조를 동시에 갖는 이중상 이리듐 산화물 촉매를 개발했다. 속이 빈 공 모양의 결정 구조 사이를 비정질 구조가 메우는 형태로 설계해 전자가 통과할 수 있는 연속적인 경로를 확보했다.

비정질 구조는 촉매 반응이 일어나는 자리를 많이 제공해 반응성을 높이고, 결정 구조는 전도성 경로와 구조적 지지 역할을 담당한다. 이처럼 서로 다른 두 구조가 하나의 촉매 안에서 함께 작용하는 이중상 설계로 활성과 안정성을 동시에 확보한 것이다.

서로 다른 구조를 가진 이리듐 산화물 전극의 구조와 장기 구동 성능 비교.

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연구팀은 개발한 촉매를 실제 수소 생산 장치의 핵심 부품인 수전해 단전지에 적용해 성능을 검증했다. 가로·세로 1㎝ 면적에서 산업 현장 수준의 높은 전류(1 암페어(A))를 지속적으로 흘려보내며 1000시간 이상 물 분해 실험을 진행한 결과, 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산하는 것을 확인했다.

특히 1000시간 이상의 연속 가동에도 전압 상승폭이 시간당 31.5 ㎶(마이크로 볼트)에 불과해 사실상 변화가 거의 없는 수준으로 초기 작동 시와 유사한 효율을 유지하는 뛰어난 내구성을 입증했다.

이번 연구는 고가의 희귀 금속인 이리듐의 사용량을 기존 상용 단전지 대비 80% 이상 줄이면서도 장시간 안정적으로 작동하는 수전해 단전지를 구현했다는 점에서 차세대 그린수소 생산 기술인 고분자 전해질막(PEM) 수전해의 상용화 가능성을 높였다는 데 의미가 있다.

박찬호 교수는 “이리듐 사용량을 최소화하면서도 장시간 안정적으로 작동하는 전극을 구현하고, 단전지 기준 1,000시간 이상의 운전 성능을 확보했다는 점에서 의미가 크다”며 “PEM 수전해 장치의 비용을 낮추고 대규모 그린수소 생산을 앞당기는 데 기여할 것”이라고 말했다.

박찬호 교수(왼쪽)와 양호성 석사.

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광주=김한식 기자 hskim@etnews.com

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