수전해는 현재 가장 친환경적인 에너지원으로 평가받는 그린수소를 생산하는 방법입니다. 친환경에너지로부터 유래된 전기를 이용해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 과정을 거치죠. 그러나 수전해 장치에는 전기에너지를 수소와 산소로 전환하는 데 도움을 주는 촉매가 필요한데요. 에너지 전환 효율 및 내구성 문제로 인해 이를 백금이나 이리듐과 같은 값비싼 귀금속 물질로 사용한다는 한계가 있습니다.
한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 김진영 박사 연구팀은 나노구조 조절을 통해 이리듐의 사용량을 20분의 1 수준으로 줄인 그린수소 생산을 위한 수전해 양극 촉매를 개발했다고 밝혔습니다.
그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비 2~3배 높은 가격을 낮춰야 합니다. 이를 위해서는 수전해 스택 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이는 것이 중요합니다. 현재 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술 및 나노 구조체 연구가 진행되고 있지만, 수전해 장치의 구동 조건에 적합하지 않거나 대량생산에 필요한 수준을 확보하지 못했습니다.
연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형(Jagged) 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했습니다. 이를 통해 전극 내부의 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 기체 이동이 쉽게 만들었습니다. 그 결과, 전극 내 계층적 기공 구조를 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 활성이 높아지는 것을 확인했습니다.
상용 촉매의 성능과 비교하기 위해 요철형 표면구조를 가지는 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용했습니다. 촉매 사용량에 따른 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 1/20 수준으로(0.05 mg/cm2) 줄였음에도 불구하고 1.7 V 기준으로 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 보였습니다. 또한, 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 구동 특성을 확보했습니다.
이번 연구 결과는 고가의 이리듐을 20분의 1로 줄여도 고용량이 필요한 기존 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산 단가를 낮출 가능성을 열었습니다. 연구팀은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일한 대면적 전극 제작 공정에 관한 연구를 수행할 예정이라고 합니다.
KIST 김진영 박사는 “물리적 구조 변형을 통하여 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며, “해당 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했습니다.
연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐으며 저널 Back Cover 표지로 선정됐습니다.
논문명 : Ultrahigh Electrode Performance of Low-Loaded Iridium Jagged Nanotubes for Water Electrolysis Applications
