왼쪽부터 고려대 이광렬 교수(교신저자), KIST 유성종 박사(교신저자), 성균관대 이상욱 교수(교신저자), 고려대 홍용주 박사 (제1저자), 고려대 이은수 박사과정(제1저자). 

[대학저널 이선용 기자] 국내 연구팀이 수소 생산 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

고려대학교 이광렬 교수 연구팀이 성균관대 이상욱 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀과 함께 셀레늄(Se)이 도핑된 고내구성의 루테늄 인화물(Ru₂P) 기반 촉매를 개발하여, 효율적인 수소 생산을 위한 새로운 촉매를 제시했다.

이번 연구 성과는 지난 17일(월) 국제적으로 저명한 학술지 ‘Small Science’(IF: 11.2, JCR 상위 10%)에 게재됐다.

수전해 기술은 전기에너지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있어 ‘그린 수소’ 생산 방식으로 주목받고 있다.

특히, 음이온 교환막(AEM) 수전해 장치는 차세대 혁신 기술로 떠오르고 있지만, 기존에는 고가의 백금족 금속 촉매를 사용해야 하는 한계가 있었다. 이에 따라 촉매 비용 절감과 성능·내구성 향상이 중요한 연구 과제로 대두되었다.  

Ru (PSe) 다중 음이온 나노촉매의 구조 및 촉매 활성 원리 분석에 대한 개략도.

또한, 기존의 루테늄 포스파이드(Ru₂P) 구조는 백금 대체 촉매로 주목받았으나, 빠른 성능 저하 문제로 인해 촉매 안정성 확보가 어려웠다.

공동연구팀은 이를 해결하기 위해 새로운 전략으로 음이온인 셀레늄(Se)을 도입해, 루테늄, 인(Phosphorus), 셀레늄으로 구성된 다중 음이온 기반 나노튜브 구조(Ru₂PSe)를 개발했다. 이 복합 구조는 넓은 표면적을 가지며 크기가 큰 음이온을 도입해, 기존 촉매보다 장기간 효율적인 수소 생산이 가능하다.

개발한 이중벽 나노튜브 촉매를 활용한 성능평가 결과, 해당 촉매는 2V 영역에서 10.31 A/cm²의 전류밀도를 기록하며, 기존의 루테늄 포스파이드(Ru₂P) 촉매보다 빠른 반응 속도와 향상된 장기 내구성을 보였다.

연구를 진행한 이광렬 교수는 “이번 연구는 이온성 나노촉매의 활성과 안정성에서 음이온의 역할이 매우 중요하다는 점을 규명했다는 데 의미가 있다”라며 “본 연구로 고효율·저비용 촉매가 개발되어 수전해 기술의 상용화 속도를 앞당길 것”이라 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술평가원, 및 한국기초과학연구원 의 지원을 받아 진행됐다.

출처 : 대학저널(https://dhnews.co.kr)