수전해 촉매에 5nm 초박막…성능 약 1.9배 높여

1000시간 장기 운전서 안정성 입증

대면적·산업용 수전해 적용 가능성 제시

한국재료연구원은 양주찬 수소·전지재료연구센터 박사 연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 안지환 교수팀과 공동으로 페로브스카이트 촉매의 성능과 수명을 높이는 표면처리 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. ⓒ한국재료연구원

성능은 높지만 오래 쓰면 쉽게 열화되는 수전해 촉매의 약점을 5나노미터(nm) 초박막 코팅으로 보완한 기술이 개발됐다.

한국재료연구원(KIMS)은 양주찬 수소·전지재료연구센터 박사 연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 안지환 교수팀과 공동으로 페로브스카이트 촉매의 성능과 수명을 높이는 표면처리 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 촉매 표면에 약 5nm 두께의 니켈·철 기반 수산화물을 코팅했다. 촉매를 용액에 담갔다 건조하는 간단한 방식이다.

이를 음이온교환막 수전해(AEMWE) 장치에 적용한 결과 기존 촉매보다 약 1.9배 높은 성능을 보였다. 1000시간 장기 운전 후에도 코팅층과 촉매 구조가 안정적으로 유지됐다.

수전해는 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 나누는 기술이다. 태양광이나 풍력으로 만든 전기를 사용하면 탄소 배출을 줄이면서 수소를 생산할 수 있다.

물을 수소와 산소로 나누는 과정에서는 반응 속도를 높여주는 촉매가 필요하다. 페로브스카이트는 태양전지 소재로 널리 알려졌지만 조성에 따라 수전해 촉매 등 다양한 에너지 기술에도 활용된다.

페로브스카이트 촉매는 반응 성능이 뛰어난 반면 오래 사용하면 금속 성분이 빠져나가 구조가 무너지고 성능도 떨어지는 한계가 있었다.

이번 초박막은 촉매를 보호하는 동시에 반응을 촉진한다. 코팅층과 촉매 경계면의 전자 이동을 원활하게 해 산소 발생반응을 높이는 한편 금속 성분의 유출은 억제했다.

연구팀은 실시간 분석과 이론계산을 통해 금속 성분의 용출과 재침착이 균형을 이루며 촉매 구조를 안정적으로 유지하는 원리도 규명했다.

간단한 공정으로 대면적 전극과 산업용 수전해 장치까지 적용 범위를 넓힐 가능성도 열었다.

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 게재됐으며 뒷표지 논문으로 선정됐다.

양주찬 재료연 책임연구원은 “새 촉매를 만드는 대신 간단한 표면처리로 기존 촉매의 한계를 보완했다”며 “대면적 전극과 실제 수전해 시스템으로 기술을 확대할 계획”이라고 말했다.