촉매 표면의 모양만 바꿔 수전해 효율 10배 이상 향상

실시간 X-선 흡수 분광법 이용해 구조-성능 인과 규명

한국에너지기술연구원이 경북대학교, 조지아 공과대학과의 공동연구를 통해 효율이 10배 이상 향상된 고성능 PEM수전해 촉매를 개발했다.

PEM수전해는 Proton Exchange Membrane(수소이온 교환막) 혹은 Polymer Electrolyte Membrane(고분자 전해질막)을 이용하는 수전해 방식이다.

한국에너지기술연구원 연구진(플랫폼연구실 김병현, 수소연구단 조현석 박사)은 촉매 표면의 모양만 바꿈으로써 수전해 효율을 기존 촉매보다 10배 이상 크게 향상 시켰다.

물을 전기분해해 수소를 추출하는 수전해는 수소 생산 과정에서 온실가스나 대기오염 물질을 배출하지 않아 친환경적이다. PEM수전해 기술은 전해질 없이 순수한 물을 전기분해해 고분자 전해질 막을 통해 수소이온을 이동시키는 기술이다.

PEM수전해 기술은 높은 효율로 고전류밀도 운전이 가능하기 때문에 상대적으로 설비 설치에 적은 부지가 필요하고 응답성이 빠르다. 따라서 재생에너지와 연계했을 때 변동성에 대응이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 유일한 소재로 알려진 촉매 ‘이리듐산화물’의 가격이 비싸다는 단점이 있다.

연구진은 이리듐 촉매 구조를 기존의 편평한 모양에서 각 평면 중심부가 오목한 모양으로 합성시켜 PEM수전해 산소극 촉매에 적용했다.

연구진이 개발한 오목한 모양의 촉매는 기존의 편평한 촉매에 비해 성능이 약 10배 이상 향상된 것을 확인했으며 최근 보고된 이리듐 기반의 촉매 중에서 가장 뛰어난 성능을 달성했다.

또한, 연구진은 실시간 X-선 흡수 분광법과 계산과학을 이용한 분석 결과를 바탕으로 이리듐 촉매의 오목한 형태가 산소 발생 반응에 적합한 산화물로 쉽게 전환될 수 있음을 밝혀 촉매 성능 향상의 주요 원인을 규명했다.

PEM수전해 장치의 효율을 높이기 위해서는 산소 발생 반응에 유리한 이리듐 산화물 생성이 중요하다. 오목한 형태의 이리듐 촉매는 원자단위 계단 형태의 표면으로 이루어져 있는데, 이러한 원자단위 계단 형태가 산소 발생 전압 환경에서 이리듐 산화물로 쉽게 변환될 수 있음을 밝혔다.

플랫폼연구실 김병현 박사는 “실험적 관찰이 제한적인 나노 촉매 분야에서 계산과학을 바탕으로 실제 수전해 반응 조건 하에서의 원자 단위 구조와 촉매 성능 사이의 연관성을 성공적으로 규명할 수 있었다”고 말했다.

조지아 공과대학의 이승우 교수는 “산성조건 하에서 산소발생 촉매는 내구성이 취약한데, 이번 연구는 내구성과 활성을 동시에 구현할 수 있는 나노 촉매를 개발하여, PEM수전해를 이용한 그린수소 생산 기술에 기여 할 것으로 기대된다”고 말했다.

헬로티 조상록 기자 |