- 그래핀과 반도체 퀀텀닷을 결합한 혼합차원소재로 상온 발광효율 8배 증가 - 디스플레이 소비전력을 획기적으로 낮춘 친환경 소재로 개발 기대 최근 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 용 헤드마운트 디스플레이, 스마트 워치 등 차세대 전자제품에 사용되는 LED의 해상도를 높이기 위해 점점 작은 발광소자가 개발되고 있다. 하지만 소자의 크기가 작아질수록 부피 대비 표면적이 늘어나기 때문에 표면에서 손실되는 전자들이 많아지면서 발열이 발생하고 에너지 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 정대환 박사팀이 2차원 소재인 그래핀과 0차원 소재인 퀀텀닷(Quantum dot, 양자점)을 결합한 혼합차원소재를 개발하여 상온 발광효율이 8배까지 증가된 발광 소재를 개발했다고 밝혔다. 그래핀은 1 나노미터(nm) 보다도 얇은 원자층으로 이루어져 있으면서 표면이 화학적으로 매우 안정적이기 때문에 에너지 손실이 적어 고효율 재료로 사용될 수 있다. 퀀텀닷은 이름처럼 점과 같은 작은 크기로 많은 전자를 효과적으로 가두어둘 수 있으므로 발광효율이 높다. 혼합차원 이종구조는 여러 차원의 나노소재에서 나타나는 특성들을 결합해 새로운 물성을 나타낼 수 있기 때문에 최근 광검출기, LED, 레이저 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. KIST 연구팀은 고효율 발광 특성을 얻어내기 위해, 그래핀의 2차원 소재에 대한 표면 안정성과 퀀텀닷의 전자 구속력 특성을 결합한 혼합차원 이종구조를 활용했다. 연구팀은 분자 단위로 초정밀 합성이 가능한 분자빔 성장 방법을 이용해 0차원 구조를 가진 그래핀-퀀텀닷 혼합차원 소재를 합성하고, 개발한 혼합차원 소재를 광루미네선스(Photoluminescence)로 분석해 발광효율이 기존 연구결과 대비 최대 8배까지 증가한 것을 확인했다. 이러한 발광효율 향상 효과는 그래핀과 퀀텀닷의 거리가 가까울수록 서로의 상호작용이 강해져 더욱 커졌다. KIST 정대환 박사는 “이번 연구성과는 마이크로 LED와 같이 발광소자의 크기가 작아질수록 소자 효율이 줄어드는 스케일링(scaling) 문제점의 한계를 극복하는 방안이 될 것”이라며, “디스플레이 소비전력을 획기적으로 낮추어 글로벌 에너지 절감에 기여하는 소재로 개발이 기대된다”고 설명했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 개인기초연구, 나노소재기술개발사업과 KIST 미래원천연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘Nano Letters(IF: 12.262, JCR(%): 7.764)’에 게재됐다. [그림 1] 2차원 소재인 그래핀과 0차원 소재인 퀀텀닷을 융합한 혼합차원소재를 보여준다. 퀀텀닷은 분자빔 성장을 통해서 합성된다. 화학기상증착법을 통해서 합성된 그래팬은 전사되어 퀀텀닷 소재와 융합된다. ○ 논문명: Graphene/III–V Quantum Dot Mixed-Dimensional Heterostructure for Enhanced Radiative Recombinations via Hole Carrier Transfer ○ 게재일: 2023.04.07. ○ DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00321 ○ 논문저자 - 퀀 낫 당 렁 학생연구원(제1저자/KIST 광전소재연구단) - 라파엘 추 학생연구원(제1저자/KIST 광전소재연구단) - 정대환 선임연구원(교신저자/KIST 광전소재연구단)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)