국내 연구진이 수소 생산비용을 확 낮출 수 있는 촉매 기술을 개발했다. 이 기술은 탄소 중립에 필요한 재생 연료전지의 상용화를 이끄는 데 앞장설 것으로 기대된다.
오형석 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 책임연구원 연구팀은 포스텍과 연세대 공동연구를 통해 산소 환원 반응과 발생 반응을 모두 보이는 양기능성 백금-니켈 합금 촉매로 전극의 ‘가역-내구성’을 향상하는 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.
양기능성 촉매는 하나의 촉매로 물에서 수소와 산소를 동시에 생산하는 차세대 촉매다. 현재 수전해와 이산화탄소 포집·활용(CCU) 같은 전기화학 시스템에서는 양쪽 전극에 촉매를 따로 사용해 수소 생산비용이 커진다. 1개의 공정으로 합성하는 양기능성 촉매는 생산비용을 낮출 수 있어 에너지 전환 기술의 경제성을 높이는 기술로 개발되고 있다.
양기능성 촉매는 수소와 산소에 대한 전기화학 반응을 일으키고 나면 전극 물질의 구조변화로 다른 반응 성능이 낮아진다는 문제가 있다. 양기능성 촉매를 상용화하기 위해선 반응 후에도 장기간 촉매구조를 유지하는 가역-내구성 확보가 중요한 이유다.
연구팀은 양기능성 촉매의 성능을 향상하기 위해 산소 환원 반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어 합금 촉매를 만들었다. 이 합금 촉매는 팔면체 구조일 때 니켈-백금의 상호작용이 가장 활발했고, 각 단일 물질로 만든 촉매보다 산소 환원 반응과 발생 반응 성능이 두 배 이상 높았다.
연구팀은 합금 촉매의 반복적인 발생 반응 과정에서 만들어지는 백금 산화물이 성능 감소의 원인인 것을 확인하고 백금 산화물을 다시 백금으로 바꾸는 구조복구법을 개발했다. 합금 촉매를 전자 현미경으로 관찰한 결과, 새로 개발한 방법으로 촉매 형상이 복구됐다.
연구팀은 상용화를 위한 대면적 반응 실험에서도 같은 현상이 발견돼 촉매 구동 시간이 두 배 이상 늘었다고 설명했다. 새로 개발한 양기능성 촉매와 구조복구법은 일체형 재생 연료전지 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 일체형 재생 연료전지는 촉매의 투입량을 줄이면서 성능을 유지해 생산비용을 낮출 수 있다.
오형석 책임연구원은 “촉매의 가역-내구성 향상 기술은 전기화학적 에너지 전환 시스템에 중요기술인 양기능성 촉매 개발에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며 “향후 일체형 재생 연료전지와 같은 전기화학 시스템의 상용화를 앞당기는 데 이바지할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회, KIST의 지원을 받았다. 연구성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 올해 1월호에 게재됐다.
참고자료
Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202302971