[베리타스알파=김하연 기자] 고려대(총장 김동원) 화학과 이광렬 교수 연구팀과 KIST가 공동 연구를 진행해 친환경 그린 수소 생산에 효과적인 수전해용 나노 촉매를 개발했다. 이 연구 결과는 국제적인 학술지 '네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)'(IF: 14.7)에 지난 1월 10일 게재됐다.

(윗줄 왼쪽부터) 고려대&KIST 박예지 박사(제1저자), 인천대 권태현 교수(교신저자), 서강대 백서인 교수(교신저자), (아랫줄 왼쪽부터) KIST 유성종 박사(교신저자),

고려대 이광렬 교수(교신저자)/사진=고려대 제공

수전해기술은 물을 전기화학적으로 분해해 탄소 배출이 없는 수소를 생산하는 대표적인 친환경 기술이다. 그러나 수전해과정 중 발생하는 산소 반응(Oxygen Evolution Reaction, 이하 OER)으로 인해 에너지 효율이 떨어지고, 반응 속도가 느려지는 단점이 있다. 친환경 수소 생산의 상용화를 위해서는 기술의 고도화와 함께 고성능 OER 촉매 개발이 필요하다. 

현재 수전해 기술에 사용되고 있는 촉매는 이리듐과 루테늄 산화물이 있다. 이리듐은 높은 비용으로 인해 경제적 효율성이 떨어지고, 루테늄은 이리듐 대비 낮은 비용과 뛰어난 OER 활성을 보이지만, 전기 화학적 안전성이 낮아 산성 수전해 환경에서 쉽게 용해되지 않는다. 

기존 연구는 이 문제를 해결하기 위해 이리듐과 루테늄 산화물을 단순히 접붙이는 방식을 사용했으나, 비효율적인 상호작용이 빈번하게 발생해 성능 향상에는 한계가 존재한다. 

이에 연구진은 루테늄과 이리듐이 원자 수준에서 균일하게 조립된 나노 촉매를 개발했다. 이 촉매는 템플릿 표면의 격자와 여기에 성장하는 금속상의 격자 불일치가 금속 증착 속도에 영향을 미친다는 점에 착안했다. 

연구진은 니켈 황화물 나노막대 표면에 이리듐을 개별 원자 수준에서 정밀하게 도포해 니켈 황화물의 격자를 확장 시켰다. 해당 반응은 루테늄의 초기 증착을 제어해, 정밀하게 혼합된 루테늄-이리듐 합금 산화물((RuIr)O2)형태의 혼합 합금상을 형성할 수 있었다. 

연구진이 도입한 템플릿 표면 격자 제어 구조는 이리듐과 루테늄 산화물이 강력한 시너지 효과를 발휘할 수 있는 구조로, 기존에 보고된 촉매보다 높은 OER 반응을 나타냈다. 

수전해 촉매의 성능 평가 결과에 따르면, 개발된 촉매는 2.0 볼트(V)의 전압에서 현재 상용 이리듐 산화물 촉매의 3.17 A cm-2보다 높은 4.96 A cm-2의 높은 전류밀도를 보였으며, 250시간 이상의 장기 내구성이 입증됐다. 

연구를 총괄한 이광렬 교수는 "이번 연구로 개발된 나노 촉매는 OER 촉매 성능의 한계를 극복해, 대규모 그린 수소 생산과 상용화에 중요한 역할을 하리라 생각된다"라고 말했다. 

본 연구는 리더연구사업, 현대자동차 산학과제, KIST 등의 지원을 받아 수행됐다. 

고려대-KIST, 원자 수준에서 정밀하게 조립된 나노 촉매로 초고효율 저비용 청정 수소 에너지 생산 기술 확보 < 대학뉴스 < 대학 < 기사본문 - 베리타스알파