- 계면제어형 비백금계 고활성 촉매 제작 통한 신규 구조 제어 기술 구현

- 음이온교환막 수전해 기술 중 최고 수준 성능 비백금계 음극촉매 개발

사람들은 수소를 환경오염 물질을 전혀 발생시키지 않는 깨끗한 에너지원으로 생각한다. 하지만 화석연료를 사용해 이산화탄소를 배출하는 ‘그레이 수소’, 그레이 수소 생산 과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 생산하는 ‘블루 수소’는 완전한 청정 에너지원과는 거리가 있다. 생산 과정에서 탄소를 전혀 배출하지 않는 ‘그린 수소’는 물을 전기 분해해 분리막으로 이온을 이동시킴으로써 수소와 산소를 생성하는 수전해 방식으로 생산한다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사와 성균관대학교(총장 유지범) 에너지과학과 윤원섭 교수, 화학공학·고분자공학부 유필진 교수가 공동연구를 통해 산소 발생 반응(OER) 성능을 높인 촉매소재 계면 제어기술을 개발했다고 밝혔다. 산소 발생 반응 촉매는 물을 분해하여 수소를 생산하는 속도와 효율성을 높이는 역할을 담당한다. 그러나 산소 발생 반응 촉매의 구조-성능 간 상관관계와 이를 바탕으로 한 촉매 구조 제어 기술 연구는 부족하여 단순한 입자 형태의 금속 촉매 혹은 복잡한 제작과정이 필요한 계면 촉매를 주로 사용해왔다.

철 원자는 산화수가 다양한 원소 중 하나로, 높은 산화수를 가지면 활성점이 증가하고 전하의 이동 속도가 빨라져 산소발생 반응성능이 극대화된다. 일반적으로 금속 나노입자의 기상 반응에서는 반응물이 기체 상태이기 때문에 원하는 촉매 구조를 달성하도록 반응성을 제어하기 어렵다. 연구팀은 기상 반응을 제어하여 고산화수 원자를 갖는 촉매 구조를 얻기 위해 기체 투과도가 낮은 고결정성 흑연 탄소 껍질로 둘러싸인 금속 나노입자를 합성했다. 이후 기상 반응을 수행한 결과 고결정성 흑연 탄소 껍질의 제한적인 기체 투과성으로 인해 커켄달 효과가 불완전하게 발생하여 나노입자 내 공극이 적은 환경이 만들어졌고, 촉매 계면에서 철 원자가 높은 산화수를 가지는 구조를 구현할 수 있었다.

연구팀은 이렇게 개발한 촉매를 최근 가장 주목받고 있는 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 장치의 음극의 산소 발생 반응 촉매로 활용했다. 그 결과 최근 에너지 분야 권위지에 발표된 음이온 교환막 수전해 기술에 적용되는 비백금계 촉매 성능보다 고전류밀도 성능을 2.0 V 조건에서 약 1.5배 높일 수 있었다.(12.26 A/cm2 @ 2.0 V 및 6.34 A/cm2 @ 1.8 V).

성균관대 유필진 교수는 “이번 연구에서 개발한 신규 계면 제어기술로 촉매 재료의 구조-전기화학적 성능 상관관계 연구의 다각화가 가능해졌다”고 연구의 의의를 밝혔다. KIST 이성수 박사는 “그린 수소의 운전비용 및 에너지 효율을 획기적으로 개선함으로써 향후 대형 수소기반 발전소, 선박, 트럭, 잠수함, 드론, 비행기 등 신규 수소산업 형성에 기여할 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 미래소재디스커버리사업(2018M3D1A1058624) 집단연구지원사업(2021R1A4A1024129), 개인기초연구(2021R1C1C2095034), 세종과학펠로우십(2021R1C1C2095034), KIST 주요사업(Young Fellow)으로 수행되었으며, 결과는 국제 학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental(IF: 24.319, JCR(%): 0.93)’에 게재되었다.

[그림 1] 흑연 탄소 껍질을 갖는 금속 입자를 기반으로 한 확산 속도가 제어된 음이온 확산 제한형 Kirkendall 효과 및 이종 계면 구조의 설계에 대한 전체 개념도

[그림 2] FeCo/FeCoP 이종 계면을 갖는 촉매 소재의 투과전자현미경 사진 및 에너지 분산 X-선 분광법 기반의 원소 분석 결과

[그림 3] 음이온교환막 수전해 적용의 모식도 / 다양한 음극 촉매에 따른 수전해 장치 성능 (전류-전압 그래프)을 나타냄. / 수전해 장치의 동일 전류밀도 인가 조건에서의 장기 내구성 테스트.

100시간 동안의 구동을 통한 안정한 수소 생산 확인함.

○ 논문명: HIgh-valent metal site incorporated heterointerface catalysts for high-performance anion-exchange membrane water electrolysers

○ 게재일: 2023.09.15.

○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122816

○ 논문저자

     - 최관현 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터)

     - N. Clament Sagaya Selvam 박사후연구원(제1저자/성균관대학교)

     - 이성수 선임연구원(교신저자/KIST 전자파솔루션융합연구원)

     - 윤원섭 교수(교신저자/성균관대학교 에너지과학과)

     - 유필진 교수(교신저자/성균관대학교 화학공학과)