혁신적인 촉매로 녹색 수소 생산 효율성을 획기적으로 향상

한국표준과학연구원, 대전, 한국

물 전기분해를 통해 생산되는 그린수소는 생산 과정에서 이산화탄소 등 오염물질이 발생하지 않아 차세대 친환경 에너지원이다. 촉매는 물을 수소와 산소로 분해하는 물 전기분해 과정에서 중요한 역할을 합니다. 녹색수소 생산 효율은 이들 촉매의 성능에 크게 좌우된다. 따라서 그린수소의 상용화는 장기간에 걸쳐 높은 성능을 유지할 수 있는 비용 효율적인 촉매 개발에 달려 있다.

국내 연구진이 비용을 절감하면서도 녹색수소 생산 효율을 획기적으로 높이는 신소재 개발에 성공했다.

한국표준과학연구원(KRISS)이 음이온 교환막(AEM) 물 전기분해에 사용되는 고성능 비금속 촉매를 개발했다. 새로 개발된 촉매는 귀금속 기반 대체 촉매보다 가격이 저렴할 뿐만 아니라 성능도 우수해 그린수소 상용화에 한발 더 다가섰다.

현재 AEM 물 전기분해 시스템은 주로 백금(Pt) 및 이리듐(Ir)과 같은 귀금속 촉매에 의존합니다. 그러나 이러한 물질의 높은 가격과 분해에 대한 민감성으로 인해 수소 생산 비용이 크게 증가합니다. 이러한 과제를 극복하려면 내구성이 뛰어나고 저렴한 비금속 촉매 개발이 필수적입니다.

KRISS 신소재 계측그룹은 니켈 몰리브덴(MoO 2-Ni4Mo) 구조의 이산화몰리브덴에 소량의 루테늄(Ru)을 투입해 비금속 촉매 개발에 성공했다. 이산화몰리브덴은 높은 전기 전도성을 제공하지만 알칼리 환경에서의 성능 저하로 인해 물 전기분해 촉매로 사용이 제한되었습니다.

연구진은 포괄적인 구조 분석을 통해 이산화 몰리브덴에 대한 수산화 이온(OH-) 흡착이 분해의 주요 원인임을 확인했습니다.

이러한 발견을 바탕으로 그들은 이산화 몰리브덴 분해를 방지하기 위해 최적의 비율로 루테늄을 통합하는 방법을 고안했습니다. 생성된 3나노미터 미만의 루테늄 나노입자는 촉매 표면에 얇은 층을 형성하여 성능 저하를 방지하고 내구성을 향상시킵니다.

성능 평가 결과, 새로 개발된 촉매는 기존 상용 소재 대비 내구성은 4배, 활성은 6배 이상 향상된 것으로 나타났다.

또한, 페로브스카이트-실리콘 직렬 태양전지와 통합했을 때 촉매는 22.8%의 놀라운 태양-수소 효율을 달성하여 재생 에너지원과의 강력한 호환성을 강조했습니다.

또한 촉매는 식염수에서 높은 활성과 안정성을 보여 고품질 수소를 생산했습니다. 이 기능을 통해 담수화와 관련된 비용이 크게 절감될 것으로 예상됩니다.

박선화 KRISS 신소재 계측그룹 수석연구원은 “현재 녹색수소를 생산하려면 정제수가 필요하지만, 실제 해수를 사용하면 담수화 관련 비용을 크게 낮출 수 있다”며 “이 분야에 대한 연구를 계속 이어갈 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 KRISS MPI Lab Program의 지원을 받아 서울대학교 장호원 교수팀, 한국재료과학연구원 최성묵 박사팀이 공동으로 수행했다.

이번 연구 결과는 응용 촉매 B:환경 및 에너지 7월호에 게재되었습니다. (IF:20.2), 화학공학 분야의 선도적인 저널입니다.

자세한 내용은 배은혜에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.