[투데이에너지 최인영 기자] 친환경 그린수소의 생산 비용을 크게 낮출 수 있는 새로운 촉매 소재가 개발됐다. 음이온 교환막 수전해의 성능을 높일 것으로 기대하고 있다.
고려대학교는 이광렬 교수 연구팀을 비롯한 성균관대학교 이상욱 교수 연구팀, KIST(한국과학기술연구원) 유성종 박사 연구팀, 동국대학교 진하늘 교수 연구팀이 공동으로 백금, 루테늄, 인으로 이뤄진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노 튜브 형태로 구현한 음이온 교환막 수전해 장치용 양극재 소재를 개발했다고 19일 밝혔다. 이중벽 나노튜브는 나노 사이즈의 직경을 갖는 실린더 형태로 속이 빈 두 실린더가 겹쳐진 구조라고 설명했다.
연구팀은 음-양이온 교환이라는 새로운 방식으로 나노 입자를 제어해 삼원계 물질을 이중벽 나노튜브 형태로 구현했다. 이를 양극재 소재로 활용해 음이온 교환막 수전해 장치를 최적화해 상용 백금과 루테늄 촉매 대비 그린수소 생산 단가를 큰 폭으로 낮추는 데 성공했다.
음이온 교환막 수전해(AEM) 기술은 알칼라인 수전해(AEC)와 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 특성을 결합한 차세대 수전해 기술이지만 현재 적용하는 촉매의 낮은 활성·내구성으로 인해 수전해 기술 상용화에 제약을 받고 있다.
연구팀은 수전해 촉매 성능평가 결과에 따르면 개발한 삼원계 물질 기반의 이중벽 나노튜브 수전해 촉매는 수전해 작동 전압인 2.0V 영역에서 9.40A/㎠의 전류밀도를 나타냈다고 밝혔다. 이는 상용 촉매인 백금 촉매의 전류밀도 5.44A/㎠ 대비 1.7배 이상 우수하며 약 270시간 이상 장기 내구성을 보였다고 덧붙였다.
또한 P음이온에 의해 격자화된 루테늄과 백금이 각각 물 분해와 수소 생산에 특화돼 있다는 것을 발견했다. 나노구조 안에서 각 원자간 시너지 효과를 구현하면 촉매의 성능을 극대화할 수 있음을 밀도범함수 이론적 분석과 실시간 operando XAS 실험분석을 통해 입증했다.
이광렬 고려대 교수는 “이번 연구는 나노 촉매 개발에 있어 이온교환이라는 완전히 새로운 방식으로 물질의 상과 형태를 제어한 것으로 이를 통해 나노 촉매 개발 방법론의 확장이 가능하다”며 “이 방식을 활용해 다양한 촉매를 개발한다면 수전해 촉매 기술이 새로운 차원으로 성장할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 리더연구사업, 대학중점연구소지원사업, 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업 등으로 수행됐다. 연구 성과는 에너지·재료분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스 후면 표지 논문에 선정됐다.