공과대학

윤원섭 교수, 유필진 교수 공동연구팀,

수소 생산 효율 높인 음이온 교환막 촉매 개발

이산화탄소 배출이 없는 ‘그린 수소’를 효율적으로 빨리 생산할 수 있는 비백금계 음이온 교환막 촉매를 국내 연구진이 개발했다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 이성수 물질구조제어연구센터 선임연구원과 윤원섭 성균관대 에너지과학과 교수, 유필진 성균관대 화학공학·고분자공학부 교수 공동연구팀이 산소 발생 반응성능을 높인 촉매 계면 제어기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 

수소는 청정 에너지원으로 평가받지만, 현재는 화석연료를 사용해 생산하기 때문에 탄소가 배출된다. 탄소 배출이 없는 그린 수소를 생산법으로는 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 생성하는 수전해 방식이 개발되고 있다. 하지만 물을 분해하는 촉매의 구조 제어기술 연구가 부족해 생산비와 효율이 떨어진다는 문제가 있다. 

연구팀은 기상 반응을 제어해 고산화수 원자를 갖는 촉매 구조를 얻기 위해 기체 투과도가 낮은 흑연 탄소 껍질로 둘러싸인 금속 나노입자를 합성했다. 기상 반응은 기체 상태로 진행되는 화학 반응을 의미하는데, 입자 간 충돌 빈도와 에너지를 제어하기 어려워 반응 속도와 선택성을 조절하는 데 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 촉매는 기체 투과도가 낮아 물질의 확산 속도가 경계면에서 다르게 나타나는 ‘커켄달 효과’가 제한적으로 발생했다. 산소 발생 성능이 좋은 철 원자는 기상 반응에서 반응성을 제어하기 어려웠는데, 새로 개발한 촉매 계면에서는 철 원자가 높은 산화수를 가지는 구조를 보였다.

새로 개발한 촉매는 최근 주목 받는 비백금계 음이온 교환막 수전해 장치에 적용됐다. 이 장치는 기존 음이온 교환막 수전해 기술에 적용되는 비백금계 촉매보다 고전류밀도 성능이 1.5배 높다는 게 연구팀의 설명이다. 

이성수 선임연구원은 “그린 수소의 운전 비용과 에너지 효율을 획기적으로 개선해 향후 대형 수소 기반 발전소, 선박, 트럭 등 신규 수소산업을 형성할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부의 미래소재디스커버리사업과 집단연구지원사업, 개인기초연구, 세종과학펠로우십, KIST 주요사업의 지원을 받았다. 연구 성과는 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이론멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 게재됐다.

Applied Catalysis B: Environmental, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122816