한국과학기술원(KAIST)은 이진우·김형준 교수 연구팀이 음이온 교환막 수전해 셀의 성능과 안정성을 획기적으로 높인 귀금속 단일 원자 촉매를 개발했다고 31일 밝혔다.
수전해 셀은 물을 분해해 수소와 산소를 생산하는 수전해 장치에서 수소와 산소 가스의 혼합을 막아주는 역할을 한다. 여러 수전해 기술 가운데 음이온만 선택적으로 이동시키는 교환막을 전해질로 사용해 수소를 생산하는 음이온 교환막 수전해 셀은 고순도 수소를 다량으로 생산할 수 있는 차세대 수전해 기술이지만, 촉매로 사용되는 백금(Pt) 등 귀금속 값이 비싸 경제성이 떨어진다.
이에 단일 원자 촉매가 대안으로 제시되고 있다. 금속 원자 하나가 지지체에 분산된 형태로, 모든 금속 단일 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금 활용도를 극대화할 수 있다. 다만 기존 저온 합성법으로는 안정성과 밀도가 떨어져 제대로 된 성능을 구현하기 어려웠다.
연구팀은 고온 환경에서의 새로운 합성 전략을 기반으로 단일 원자 촉매를 설계했다. 고온에서 높은 안정성을 제공하는 탄소를 귀금속과 강한 상호작용을 갖는 몰리브덴 탄화물과 결합, 성능을 극대화한 지지체를 개발했다.
1000도 이상 고온에서 귀금속이 자발적으로 탄화물 지지체에 단일 원자로 분해돼 안정적으로 합성할 수 있다. 상용 백금 촉매 대비 10분의 1의 사용량에도 3.38A/㎠(제곱센티미터당 암페어)의 높은 성능을 달성했으며, 이는 미국 에너지부(DOE)가 제시한 양이온 교환막 기반 수전해 셀의 2026년 성능 목표를 뛰어넘는 것이다.
제1 저자인 김성빈 KAIST 연구교수는 “이번 기술을 이용해 수전해 셀의 원가를 크게 절감시킬 수 있다”며 “수전해 셀뿐만 아니라 다양한 귀금속 기반 촉매 공정에 응용할 수 있어 산업적 파급력이 클 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구에는 울산과학기술원(UNIST) 신승재 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 김호영 박사가 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지 인바이론멘탈 사이언스’(Energy & Environmental Science) 1월 호에 실렸다.
헬로티 이창현 기자 |
