[투데이에너지 장재진 기자]
서울대학교 공과대학 재료공학부 김진영 교수 연구팀이 국민대학교 이찬우 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀과 협력하여 차세대 친환경 수소 생산을 위한 전기화학 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.
이 연구는 촉매 분야의 저명 학술지인 Energy & Environmental Science에 게재됐으며, 표지 논문으로 선정되어 연구의 혁신성과 학문적 가치를 인정받았다.
연구팀이 개발한 코어-쉘(Core-shell) 구조의 루테늄(Ru) 기반 나노클러스터 촉매는 극소량의 귀금속만으로도 세계 최고 수준의 성능과 안정성을 확보했다. 이 촉매는 실제 산업용 수전해 장비에 적용 시 뛰어난 효율을 증명했다.
수소는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 에너지원으로, 수전해 기술을 통해 물을 수소와 산소로 분해하여 생산된다.
특히, 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 기술은 고순도 수소 생산을 위한 차세대 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존의 백금(Pt) 촉매는 높은 비용과 빠른 열화 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이에 대한 대안으로 비귀금속 기반의 촉매 연구가 진행되고 있으나, 이들 역시 효율과 안정성에서 한계를 보여왔다.
이에 연구팀은 백금보다 2배 저렴한 루테늄을 기반으로 한 코어-쉘 나노클러스터 촉매를 개발했다. 이 촉매는 크기를 2나노미터(nm) 이하로 줄이고 귀금속 사용량을 기존 백금 촉매 전극의 3분의 1로 낮추면서도 오히려 백금 촉매를 초월하는 성능을 달성했. 특히, 이 혁신적인 코어-쉘 촉매는 동일한 귀금속 함량에서 백금 촉매 대비 4.4배 높은 성능을 기록했으며 현재까지 보고된 수소 발생 촉매 중 세계 최고 수준의 성능을 나타냈다.
연구팀은 과산화수소 처리를 통해 티타늄 발포체 기판 위에 얇은 티타늄 산화층을 형성한 후, 전이금속인 몰리브데늄(Mo)을 도핑하고, 그 위에 루테늄 산화물 나노입자를 균일하게 증착하였다. 이후 저온 열처리를 통해 독창적인 코어-쉘 구조를 형성했으며, 최종적으로 수소 발생 반응 중 전기화학적 환원을 통해 코어-쉘 구조의 환원을 유도했다.
향후 이 코어-쉘 나노클러스터 촉매는 친환경 수소 생산의 효율을 획기적으로 향상시키고 귀금속 사용량을 줄여 수소 생산 비용을 크게 낮출 것으로 기대된다. 또한, 이 촉매는 수소차를 비롯한 다양한 친환경 운송 수단의 연료로 활용될 수 있으며, 수소 발전 등 관련 사업 분야에서도 폭넓게 응용될 전망이다.
김진영 교수는 “2nm 미만의 극소형이면서도 우수한 성능과 안정성을 지닌 코어-쉘 촉매는 나노 코어-쉘 소자 제작 기술과 탄소중립 시대를 앞당길 수소 생산 기술의 발전에 중대한 기여를 할 것”이라고 강조했다.
논문의 제1저자인 임현우 박사는 올해부터 정부의 세종펠로우십 사업의 지원을 받아 연구를 계속하며, 이번에 개발한 코어-쉘 구조의 촉매를 상용화하는 후속 연구에 집중할 예정이다.