초저전력 소비하는 신개념 정보전자소재 기술개발 - 높은 전하이동도와 강한 스핀궤도 결합의 신개념 산화물 전자 소재 개발 - 산화물 전자소자-스핀트로닉스 융합으로 초저전력 정보소자 개발에 기여 정보 처리 및 저장 기기의 에너지 소비량이 폭발적으로 증가함에 따라 이를 해결하기 위한 새로운 전자 소재, 더 나아가서는 새로운 동작원리에 기반을 둔 신개념 정보 소자의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 정보처리기기에 사용되는 고성능 스핀(*용어 설명) 트랜지스터를 제작하는데 필요한 전자소재를 새로운 방식으로 개발하는데 성공했다 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 전자재료연구단 이수연 박사팀(제1저자 진현우 연구원)은 건국대, 가톨릭대, 서울대, 美 켄터키주립대와 공동연구를 통해 대표적 부도체 산화물인 스트론튬-타이타늄 산화물(SrTiO3)에 금속 원소인 나이오븀(Nb)을 주입(도핑)하여, 이 신개념 소재의 전기적 특성에 대한 연구를 진행하여, 기존 소재와는 달리 높은 전하 이동도(*용어 설명)와 함께 강한 스핀-궤도 결합(*용어 설명)을 가지고 있음을 규명하여 초저전력으로 제어가 용이한 산화물 기반 고성능 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 앞당겼다. 기존의 트랜지스터에서 전하를 제어하기 위해 실리콘과 같은 반도체 소재가 필수적이었으나, 스핀 트랜지스터에서는 스핀의 분포 및 흐름을 제어하기 위한 소재의 개발이 필요하다. 스핀 트랜지스터 소재의 필요조건을 정리하면, (1) 높은 전하이동도, (2) 강한 스핀-궤도 결합이다. 첫 번째로 저항이 작아 스핀 정보를 잃지 않고 먼 거리까지 전달할 수 있도록 전하의 이동도가 커야하고, 두 번째로 스핀의 운동을 제어하기가 용이해야 한다. 스핀의 운동을 제어하는 방법으로 스핀-궤도 결합(Spin-orbit coupling, *용어 설명)을 이용하는데, 어떤 물질에 걸린 전압을 조정하여 전자의 운동을 제어하고, 이를 통해 다시 스핀 운동의 제어가 가능하다는 원리이다. 지금까지는 화합물 반도체(갈륨-비소 화합물(GaAs))와 같은 소자가 가장 활발히 연구되고 있었으나, 매우 높은 전하 이동도를 가지고 있는 반면 스핀-궤도 결합이 약하다는 단점을 가지고 있었다. 이수연 박사팀이 개발한 이 소재는 두 필요조건을 동시에 상당히 높은 수준으로 충족시켰다. 연구팀이 개발한 산화물 전자소재는 매우 다양한 전기적-자기적 특성을 가지는 산화물 재료의 기초 소재이다. 다시 말해, 개발된 소재는 다른 특성을 지닌 다양한 산화물 전자 소재와 결합하여 새롭고 우수한 성능을 가진 정보 소자를 개발할 수 있는 가능성을 넓힐 수 있다. 이수연 박사는 “본 연구 결과는 스핀트로닉스 분야에서 고성능 스핀 트랜지스터의 개발을 한 단계 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 산화물 전자 소자 분야에서 다양한 기능성 산화물과의 접합을 통한 새로운 물리 현상을 관찰할 수 있는 토대를 제공하고, 새로운 동작 원리를 가진 신개념 정보 소자의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 신개념 정보 소자 개발 분야에서는 전자의 고유 자기적 특성인 스핀(Spin)을 정보 매개체로 이용하는 스핀트로닉스(스핀전자공학, Spintronics) 소자가 가장 가능성 높은 기술로 평가되고 있다. 스핀트로닉스 기술은 정보 저장 기술에 있어서는 하드 디스크 드라이브의 읽기 장치, 자성 메모리 (MRAM, magnetic random access memory) 등과 같이 이미 현실 생활에서 활발히 활용되고 있으며, 정보 처리를 위한 트랜지스터 및 논리-연산 소자에도 활용 범위를 넓히기 위한 연구가 매우 활발히 진행 중이다. 본 연구는 미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유 Flagship/미래원천연구사업으로 수행되었으며, 10월 5일(수요일)자 Scientific Reports(IF: 5.228)에 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1 > 나이오븀-타이타늄(Nb:SrTiO3) 산화물 (은색(Sr), 청색(Ti), 적색(O) 공으로 이루어진 격자 구조) 내에서 전자가 고유의 스핀을 가지고 빠른 속도로 움직이는 모습. - 전자(금색)가 빠른 속도로 움직이는 것을 규명하여 전하이동도가 높음을 밝혀냄. 이는 곧 저항이 거의 없다는 뜻으로 높은 전하이동도를 가지고 있음을 알수 있다. - 위, 아래 화살표로 인해 전자가 스핀의 정보를 유지한채 위,아래로 움직이는 것을 관찰하여 스핀궤도 결합이 강함을 규명. 이는 전자의 제어가 용이하다는 것을 알 수 있다. <그림 2> (a) 자기장 방향에 따른 자기 저항 곡선, 점선은 선형 fitting 곡선 (inset: 소자 및 전류-자기장의 방향을 보이기 위한 개념도) (b) 수직 자기장 하에서의 온도에 따른 자기 저항 곡선 - (a) 일반적인 재료에서의 자기저항곡선은 포물선(곡선) 형태를 그리게 되는데, 본 실험에서는 직선(선형) 그래프를 나타내는 결과를 볼 때, 이것은 높은 전하이동도와 스핀궤도결합이 커서 나타나는 결과임을 알 수 있음. - (b) 온도에 따라서 다른 색깔의 선형그래프가 나타나게 되는데, 각 온도마다 개발된 소재의 성능이 유지된다는 것을 의미한다.

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자