비싼 귀금속 20분의1만 사용해 수소 만든다

KIST, 나노구조 조절해 이리듐 사용량 줄여

요철형 표면 나노튜브 구조로 수전해 활성화

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 새로운 구조의 촉매를 개발해 친환경적인 에너지원으로 평가받는 그린수소 생산 단가를 낮출 가능성을 제시했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김진영 수소·연료전지연구단 박사 연구팀은 나노구조 조절을 통해 비싼 귀금속인 이리듐의 사용량을 20분의 1 수준으로 줄인 그린수소 생산을 위한 수전해 양극 촉매를 개발했다고 밝혔다.

김진영 한국과학기술연구원 책임연구원.(사진=한국과학기술연구원)

그린수소 보급을 확대하려면 그레이수소 대비 2~3배 높은 가격을 낮춰야 한다. 이를 위해서는 수전해 스택 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄여야 한다.

현재 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술과 나노 구조체 연구가 진행되지만 수전해 장치의 구동 조건에 적합하지 않거나 대량생산에 필요한 수준을 확보하지 못했다.

‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 뒷표지.(자료=한국과학기술연구원)

연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형 표면구조를 가지며 속이 빈 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 이를 통해 전극 내부의 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 기체 이동을 쉽게 만들었다. 그 결과, 전극 내 계층적 기공 구조를 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 활성이 높아지는 것을 확인했다.

상용 촉매의 성능과 비교하기 위해 요철형 표면구조를 가지는 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용했다. 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 20분의 1 수준으로 줄였다. 그러면서도 1.7볼트(V) 기준 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 발휘했다. 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소만 나타냈다.

김진영 박사는 “물리적 구조를 변형해 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며 “앞으로 그린수소의 생산 단가를 낮춰 친환경적인 수소 생산 상용화에 다가갈 수 있는 방향을 제시하겠다”고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.