KAIST, 백금 사용 10분의 1로 줄여 수전해 셀 생산 성공

고온 자발적 귀금속 동적배치 전략으로 새로운 귀금속 단일원자 촉매 합성기술 구현

한국 연구진이 백금 사용량을 10분의 1로 줄여 수전해 셀의 경제성을 높이는 데 성공했다.

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀과 김형준 화학과 교수 연구팀이 공동연구를 통해 음이온 교환막 기반 수전해 셀의 성능과 안정성을 획기적으로 높이는 고성능 고안정성 귀금속 단일 원자 촉매를 개발했다고 31일 밝혔다.

연구참여 인원과 표지 논문 그림. 사진 위쪽부터 시계 방향으로 김성빈 연구교수, 신승재 교수, 김호영 박사, 이진우 교수, 김형준 교수. KAIST 제공

수전해 셀은 물을 전기화학적으로 분해해 수소를 생산하는 기술로, 탄소 중립 시대를 위한 필수적인 에너지 변환 기술이지만 산업적 활용을 위해서는 고가의 백금을 대량 사용해야만 했다.

연구팀은 귀금속 촉매의 열화 메커니즘을 역이용하는 '자가조립원조 귀금속 동적배치' 전략을 개발했다. 이 방법은 1000℃ 이상의 고온에서 귀금속이 자발적이고 선택적으로 탄화물 지지체에 단일원자로 분해돼 안정적으로 담지되는 합성 기술이다. 이 기술로 상용 백금 촉매 대비 10분의 1 수준의 백금 사용량으로도 더 높은 성능과 안정성을 구현했다.

단일 원자 촉매는 금속 원자가 지지체 표면에 고립된 형태로 담지돼 높은 귀금속당 촉매 효율을 나타내지만, 기존 저온 환원법에서는 촉매 성능과 안정성 확보에 한계가 있었다.

연구팀은 귀금속 전구체와 고분자 사이의 분자적 상호작용, 귀금속과 지지체 사이의 상호작용을 응용해 자가조립원조 귀금속 동적배치라는 새로운 단일 원자 촉매합성 메커니즘을 제시했다. 이를 통해 연구팀은 이 기술이 백금뿐만 아니라 이리듐, 팔라듐, 로듐 등 다양한 귀금속 단일 원자 촉매에도 적용 가능성이 있음을 입증했다.

자가조립원조 귀금속 동적배치 전략의 원리와 개발 백금 단일원자 촉매의 음이온 교환막 기반 수전해 셀 성능을 설명한 그림. 이진우 KAIST 교수 공동연구팀 제공

개발된 백금 단일 원자 촉매는 염기 조건 수소 생성반응에서 높은 안정성을 가지며 높은 밀도의 귀금속 활성점을 통해 우수한 수소 생산 성능을 보였고, 상용 백금 촉매 대비 5배 높은 귀금속당 수소 생산 성능을 구현할 수 있었다.

이번 연구에서 측정한 수전해 셀 성능은 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)가 제시한 수전해 셀 성능 및 귀금속 사용량의 2026년 목표치를 유일하게 충족시켰다고 평가받았다.

제1 저자인 김성빈 연구교수는 "이번 기술은 수전해 셀의 원가를 크게 절감시키며 이번 연구에서 제시된 자가조립원조 귀금속 동적배치 전략은 수전해 셀뿐만 아니라 다양한 귀금속 기반 촉매 공정에도 응용할 수 있어 산업적 파급력이 클 것으로 보인다"고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 김성빈 연구교수가 주도하고, UNIST 에너지화학공학과 신승재 교수, KIST 수소연료전지센터 김호영 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '에너지 인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)' 1월 18권에 출판됐으며, 후면 표지논문(inside back cover)으로 선정됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr
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