차세대 에너지원 수소 생산에 필요한 촉매 사용량을 기존의 20분의 1로 줄여 생산단가를 크게 낮출 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 김명근 수소·연료전지연구단 박사와 유성종 박사 연구팀이 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 20분의 1 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다. 연구성과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’의 표지논문으로 최근 게재됐다.
수소는 물을 수소와 산소로 분해시키는 수전해 과정을 통해 얻어진다. 수전해 반응을 상용화 수준으로 효율화하기 위해서는 이리듐이라는 귀금속 촉매가 필요하다. 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴돼 공급 불안정을 야기하고 수소의 생산단가를 높이는 주범으로 지목된다.
연구팀은 이리듐을 기존의 20분의 1만 사용하면서도 제역할을 할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 우선 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 사용해 탄소 부식을 줄이면서도 수전해 반응 효율을 높였다. 또 지지체 위에 셀레늄을 도입해 이리듐 표면에 얇은 수산화물층을 형성, 이리륨의 용출을 억제했다.
연구팀이 개발한 저이리듐 촉매는 1.9V 전압에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다.
연구팀은 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. 김 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다.
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