[투데이에너지 최인영 기자] 국내 연구진이 수소와 산소를 동시에 생산할 수 있는 양기능성 촉매 성능을 높여 수소 생산단가 하락에 기여하고 있다.
한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀이 포항공과대학, 연세대학교와 공동 연구를 통해 산소 환원 반응과 발생 반응을 모두 보이는 팔면체 구조의 양기능성 백금-니켈 합금촉매를 이용해 전극의 가역-내구성을 향상하는 방법론 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
양기능성 촉매는 하나의 촉매를 사용에 물에서 수소와 산소를 동시 생산하는 촉매다. 현재 수전해 기술, CCU(탄소포집·활용) 등 전기화학 시스템에서는 양쪽 전극에 별개의 촉매를 활용하기 때문에 수소의 생산 단가가 높다. 반면 1개의 생산공정으로 합성 가능한 양기능성 촉매는 생산비용을 절감할 수 있어 전기화학적 에너지 전환 기술의 경제성을 높이는 기술로 주목받고 있다.
하지만 양기능성 촉매는 수소와 산소를 발생하는 각각의 전기화학 반응을 진행하면 전극 물질의 구조변화로 인해 다른 반응 성능이 낮아진다는 문제를 지녔다. 이 때문에 양기능성 촉매를 상용화하기 위해서는 반응 후에도 장기간 촉매구조를 유지할 수 있는 가역-내구성 확보가 중요하다.
연구팀은 양기능성 촉매의 가역-내구성을 높이기 위해 각각 산소 환원반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어 다양한 구조의 합금촉매를 합성했다고 밝혔다.
실험 결과 팔면체 구조일 때 니켈-백금 간의 상호작용이 가장 활발했으며 이 합금촉매는 백금, 니켈 단일 물질로 제작한 촉매 대비 산소 환원반응과 발생 반응 성능이 2배 이상 높았다고 덧붙였다.
또한 합금촉매의 반복적인 발생 반응 과정에서 생성되는 백금 산화물이 성능 감소의 원인임을 확인해 백금 산화물을 백금으로 환원시키는 구조복구 방법론을 개발했다.
연구팀은 전자 현미경을 통해 개발한 방법론 적용 시 촉매의 형상이 복구되는 것을 확인했으며 상용화를 위한 대면적 반응기 실험에서도 촉매 형상 복구에 성공해 구동 시간을 2배 이상 늘렸다.
뿐만 아니라 기존에 산소 발생과 환원 반응을 위한 별개의 촉매를 양기능성 촉매로 대체해 일체형 재생 연료전지 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대하고 있다. 수소와 전력 생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지는 높은 가격의 촉매의 투입량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있어 생산비용을 낮출 수 있다.