차세대 친환경 에너지원으로 꼽히는 '그린 수소' 생산 효율을 높여줄 신소재가 나왔다.
한국표준과학연구원은 화학소재측정본부 첨단소재측정그룹 박선화 책임연구원 연구팀이 음이온교환막(AEM) 수전해에 쓰이는 고성능 비(非)귀금속계 촉매를 개발했다고 15일 밝혔다. AEM 수전해는 다양한 수전해 방식 중 하나로, 이론상 저렴한 비금속 촉매를 사용할 수 있고 많은 양의 수소를 안전하게 생산할 수 있어 차세대 수전해 기술로 주목받고 있다.
현재 음이온교환막 수전해 장치에는 백금(Pt), 이리듐(Ir) 등으로 만든 귀금속 촉매가 주로 활용된다. 이런 귀금속 촉매는 소재 원가가 비싸고 부식도 빠르게 진행돼 수소 생산단가가 높아지는 원인이다. 그린 수소 상용화의 걸림돌인 높은 생산 비용을 낮추려면 값싸고 내구성 높은 비귀금속 촉매 개발이 필요하다.
연구진은 몰리브덴 산화물계(MoO2-Ni4Mo) 소재에 극소량의 루테늄(Ru)을 배합한 비귀금속계 촉매를 개발하는 데 성공했다. 몰리브덴 산화물 소재는 높은 전기전도도를 가졌지만, 알칼리성 환경에서 열화 반응이 일어나 수전해 촉매로 사용하기엔 어려웠다.
연구진은 가속기 실험으로 몰리브덴 산화물의 구조를 면밀히 분석해 수산화 이온(OH-)의 흡착이 열화 발생의 원인임을 밝혀냈다. 이를 통해 몰리브덴 산화물 소재에 루테늄을 최적의 비율로 배합하는 기술을 찾았다. 3㎚(나노미터·10억분의 1m) 이내의 루테늄 입자가 소재의 표면을 얇게 덮어 열화를 막고 내구성을 높이는 방식이다.
연구진이 개발한 촉매의 수전해 성능은 기존 소재에 비해 내구성이 4배 우수하고, 활성도도 6배 이상 높았다. 일반 전기가 아닌 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 이용한 수전해에서도 22.8%의 높은 태양광-수소 전환효율을 보였다. 이 촉매는 담수뿐만 아니라 해수에도 적용할 수 있어 활용도도 높은 것으로 평가된다.
박선화 책임연구원은 "현재는 그린 수소를 생산하기 위해 반드시 정제된 물이 필요하지만, 만약 실제 해수를 이용한다면 담수화에 필요한 막대한 비용을 줄일 수 있는 만큼 후속 연구를 이어갈 예정"이라고 말했다.
참고 자료
Applied Catalysis B-Environment and Energy(2024), DOI : https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124364