KAIST, 귀금속 75% 덜 쓰는 수소 생산 촉매 개발

귀금속 무게당 촉매 성능 약 4배

500시간 시험서 성능 저하 절반에 그쳐

카이스트는 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 건국대학교, 한국기초과학지원연구원, 한국화학연구원 등과 공동으로 고성능 수전해 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다. ⓒ카이스트

국내 연구진이 상용 백금 촉매보다 귀금속을 75% 적게 쓰고도 비슷한 수소 생산 성능을 내는 기술을 개발했다.

카이스트(KAIST)는 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 건국대학교, 한국기초과학지원연구원, 한국화학연구원 등과 공동으로 고성능 수전해 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

연구팀이 개발한 촉매는 귀금속 사용량을 상용 백금 촉매의 4분의 1 수준으로 줄였다. 수소 생산 성능은 비슷했으며, 같은 무게의 귀금속이 발휘하는 촉매 성능은 약 4배 높았다.

음이온 교환막 수전해 셀에 적용한 결과 2.0볼트(V)에서 제곱센티미터당 9.82암페어(A/㎠)의 전류밀도를 기록했다. 500시간 연속 작동 시험에서도 성능 저하가 비교 대상인 백금 촉매의 절반 수준에 그쳤다.

수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 재생에너지로 생산한 전기를 활용하면 탄소 배출을 줄인 그린수소를 얻을 수 있다. 하지만 수소 생산에 필요한 귀금속 촉매의 높은 가격이 비용 부담으로 작용한다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 루테늄(Ru) 원자 몇 개를 한 층 두께로 모아 배치하는 '원자층 이웃체' 구조를 적용했다. 원자들이 큰 덩어리로 뭉치지 않고 서로 협력해 수소 생산 반응을 촉진하도록 설계한 것이다.

텅스텐 탄화물 지지체를 활용해 원자 배열을 안정적으로 유지하고, 주변 물 분자의 반응 환경도 개선했다.

이번 기술은 수소 생산 장치의 귀금속 사용량과 유지관리 부담을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다. 다만 대규모 생산설비에서의 성능과 장기 운전 안정성은 추가 검증이 필요하다.

연구에는 카이스트 김성빈 연구교수와 전현우·박지혜 연구원, 한국화학연구원 김성준 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 9월 22일 게재됐다.