- 촉매 모양만을 바꿔 기존 촉매보다 10배 성능 향상된 PEM 수전해 촉매 개발

- 실시간 X-선 흡수 분광법과 계산과학을 이용해 구조-성능 인과 규명

- 환경공학 분야 1위 국제학술지 어플라이드 카탈리시스 비-인바이런멘탈 (Applied Catalysis B-Environmental) 논문 게재

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 플랫폼연구실 김병현, 수소연구단 조현석 박사 연구진은 경북대학교(김명진 교수), 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology 미국, 이승우 교수)과의 공동연구를 통해 효율이 10배 이상 향상된 고성능 PEM수전해* 촉매를 개발했다.

* PEM수전해: Proton Exchange Membrane(수소이온 교환막) 혹은 Polymer Electrolyte Membrane(고분자 전해질막)을 이용하는 수전해 방식. 전기를 가해주면 물 분자가 분해되어 산소와 수소이온으로 산화되고, 수소이온은 PEM을 통과해 수소 전극으로 이동하여 전자를 만나 수소로 환원이 되어 수소 발생이 일어난다.

■ 특히 연구진은 촉매 표면의 모양만 바꿈으로써 수전해 효율을 기존 촉매보다 10배 이상 크게 향상 시켰으며, 모양 변화에 따른 촉매 성능 향상의 주요 원인도 규명해 수전해와 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

□ 물을 전기분해해 수소를 추출하는 수전해는 수소 생산 과정에서 온실가스나 대기오염 물질을 배출하지 않아 친환경적이다. PEM수전해 기술은 전해질 없이 순수한 물을 전기분해해 고분자 전해질 막을 통해 수소이온을 이동시키는 기술로 재생에너지와 연계한 수소 생산 기술로 주목받고 있다.

□ PEM수전해 기술은 높은 효율로 고전류밀도 운전이 가능하기 때문에 상대적으로 설비 설치에 적은 부지가 필요하고 응답성이 빠르기 때문에 재생에너지와 연계했을 때 변동성에 대응이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 가격이 비싼 이리듐산화물 기반의 촉매가 활성과 안정성 측면에서 사용가능한 유일한 소재로 알려져 있어 가격경쟁력을 높이기 위해 활성이 높은 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다.

■ 연구진은 이리듐 촉매 구조를 기존의 편평한 모양에서 각 평면 중심부가 오목한 모양으로 합성시켜 PEM수전해 산소극 촉매에 적용했다. 연구진이 개발한 오목한 모양의 촉매는 기존의 편평한 촉매에 비해 성능이 약 10배 이상 향상된 것을 확인했으며 최근 보고된 이리듐 기반의 촉매 중에서 가장 뛰어난 성능을 달성했다.

■ 또한, 연구진은 실시간 X-선 흡수 분광법*과 계산과학을 이용한 분석 결과를 바탕으로 이리듐 촉매의 오목한 형태가 산소 발생 반응에 적합한 산화물로 쉽게 전환될 수 있음을 밝혀 촉매 성능 향상의 주요 원인을 규명했다.

* 실시간 X-선 흡수 분광법(Operando X-ray Absorption Spectroscopy): 물질 내 전자가 X-선을 흡수하는 성질이 물질에 따라 다르다는 특성을 이용. 특히 촉매의 산화수 및 결합 구조 등이 전기화학 반응 중 어떻게 변화하는지에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 분석 방법

□ PEM수전해 장치의 효율을 높이기 위해서는 산소 발생 반응에 유리한 이리듐 산화물 생성이 중요하다. 오목한 형태의 이리듐 촉매는 원자단위 계단 형태의 표면으로 이루어져 있는데, 이러한 원자단위 계단 형태가 산소 발생 전압 환경에서 이리듐 산화물로 쉽게 변환될 수 있음을 밝혔다.

■ 플랫폼연구실 김병현 박사는 “실험적 관찰이 제한적인 나노 촉매 분야에서 계산과학을 바탕으로 실제 수전해 반응 조건 하에서의 원자 단위 구조와 촉매 성능 사이의 연관성을 성공적으로 규명할 수 있었고, 나아가 본 연구 결과가 다양한 전기화학 촉매를 개발하는데 큰 도움이 될 것이다.”라며 이번 연구 결과에 활용된 계산과학의 중요성을 강조했다.

□ 조지아 공과대학의 이승우 교수는 “산성조건하에서 산소발생 촉매는 내구성이 취약한데, 이번 연구는 내구성과 활성을 동시에 구현할 수 있는 나노 촉매를 개발하여, PEM수전해를 이용한 그린수소 생산 기술에 기여 할 것으로 기대된다.”고 말했다.

■ 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 수소에너지혁신기술개발사업 내 ‘알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단’ 과제의 일환으로 수행됐으며, 연구 결과는 환경공학 분야 세계적 권위지인 ‘어플라이드 카탈리시스 비-인바이런멘탈(Applied Catalysis B-Environmental*)’에 게재됐다.

* Applied Catalysis B-Environmental: IF: 19.503, JCR Environmental Engineering 분야 1위, 상위 0.75%