수전해 촉매 모양 바꿔 효율 10배 향상

[이투뉴스] 국내 연구진이 촉매 표면 모양을 바꿔 효율을 10배 이상 향상시킨 수전해 촉매를 개발했다. 아울러 모양 변화에 따른 촉매성능 향상 원인도 규명했다.

에너지기술연구원(원장 김종남)은 16일 플랫폼연구실 및 수소연구단 연구팀이 경북대학교, 미국 조지아 공과대학과 공동연구를 통해 오목한 '고성능 고분자 전해질막(PEM) 수전해 촉매'를 개발했다.

물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 방식은 온실가스나 대기오염 물질을 배출하지 않아 친환경적이다. PEM 수전해 기술은 전해질 없이 물을 전기분해한 후 고분자 전해질막을 통해 수소이온을 이동시키는 재생에너지와 연계한 수소 생산기술로 주목받고 있다.

PEM수전해기술은 높은 효율로 고전류밀도 운전이 가능하기 때문에 설비 설치에 필요한 부지가 상대적으로 적다. 응답성도 빨라 재생에너지와 연계했을 때 변동성 대응이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 비싼 이리듐 산화물 기반 촉매가 활성과 안정성 측면에서 사용가능한 유일한 소재로 알려져 가격경쟁력을 높이기 위해선 활성이 높은 촉매 개발이 중요하다.

연구팀은 이리듐 촉매구조를 기존 편평한 모양에서 각 평면 중심부가 오목한 모양으로 합성시켜 PEM수전해 산소극 촉매에 적용했다. 연구진은 오목한 촉매가 기존 촉매보다 성능이 10배 이상 향상된 것을 확인했다. 이는 최근 보고된 이리듐 기반 촉매 중에서 가장 우수한 수준이다.

또 연구팀은 실시간 X-선 흡수 분광법과 계산과학을 이용한 분석 결과를 바탕으로 이리듐 촉매의 오목한 형태가 산소발생 반응에 적합한 산화물로 쉽게 전환될 수 있음을 밝혀 촉매 성능 향상 주요 원인을 규명했다. PEM수전해장치 효율을 높이기 위해서는 산소 발생 반응에 유리한 이리듐 산화물 생성이 중요하다. 오목한 촉매는 원자단위 계단 형태로 이뤄져 있어 산소 발생 전압 환경에서 이리듐 산화물로 쉽게 변환될 수 있다.

김병현 에너지기술연구원 박사는 “실험적인 관찰이 제한적인 나노촉매 분야에서 계산과학을 바탕으로 수전해 반응 조건의 원자단위 구조와 촉매성능 사이 연관성을 성공적으로 규명했다"며 "이번 연구 결과가 다양한 전기화학 촉매를 개발하는데 큰 도움이 되길 바란다”고 말했다.

진경남 기자 jin07@e2news.com