음이온교환막(AEM) 수전해용 촉매를 개발한 표준연 연구진 /사진=한국표준과학연구원
한국표준과학연구원(이하 표준연)은 첨단소재측정그룹 연구팀이 음이온교환막(AEM) 수전해에 쓰이는 고성능 촉매를 개발했다고 15일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 비: 인바이런먼트 앤 에너지'에 7월 실렸다.
하지만 백금 같은 귀금속 촉매는 소재 자체의 원가가 비싼데다, 외부 환경의 영향을 받아 성능이 떨어지는 열화 현상이 빠르게 발생한다. 이 때문에 값싸고 내구성 높은 비(非)귀금속 촉매를 개발해야 할 필요성이 대두됐다. 촉매에 드는 비용을 줄이면 전체 수소 생산 단가를 현재보다 대폭 낮출 수 있어 상용화의 문턱을 넘을 수 있다는 것이다.
연구팀이 개발한 음이온교환막(AEM) 수전해용 촉매 /사진=한국표준과학연구원
연구팀은 몰리브덴 산화물의 구조를 분석해 수산화 이온(OH-)의 흡착이 열화 현상의 원인이라는 것을 밝혀냈다. 이같은 현상을 막기 위해 몰리브덴 산화물에 루테늄을 적절한 비율로 섞었다. 3나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 작은 루테늄 입자로 몰리브덴 산화물의 표면을 얇게 덮자, 열화 현상이 제어됐다.
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이렇게 개발한 촉매를 수전해 기술에 적용한 결과, 기존 소재에 비해 내구성이 4배 높아졌다. 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 이용한 수전해 기술에서도 전환 효율이 기존보다 22.8% 높은 것으로 나타났다.
연구팀이 개발한 촉매는 바닷물을 이용한 수전해 기술에도 적용할 수 있을 것으로 보인다. 연구팀은 "불순물을 뺀 알칼리성의 해수를 전해질로 이용한 수전해에서도 높은 활성도와 안정도를 보였다"고 설명했다.
박선화 책임연구원은 "지금은 그린 수소를 생산하기 위해 담수(정제된 물)가 꼭 필요하지만, 만약 해수를 이용할 수 있게 되면 담수화에 드는 막대한 비용을 줄일 수 있을 것"이라고 전망했다.
한편 이번 연구는 표준연 기본사업의 지원을 받아 진행됐다. 장호원 서울대 재료공학부 교수 연구팀, 최승목 한국재료연구원 책임연구원이 이끄는 연구팀이 공동으로 참여했다.