- 수전해 촉매의 나노구조 조절로 이리듐 사용량 1/20 수준으로 절감 - 속이 비어있는 요철형 표면의 나노튜브 구조로 수전해 활성 및 내구성 개선 수전해는 현재 가장 친환경적인 에너지원으로 평가받는 그린수소를 생산하는 방법으로, 친환경에너지로부터 유래된 전기를 이용해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 과정을 거친다. 그러나 수전해 장치에는 전기에너지를 수소와 산소로 전환하는 데 도움을 주는 촉매가 필요한데, 에너지 전환 효율 및 내구성 문제로 인해 이를 백금이나 이리듐과 같은 값비싼 귀금속 물질로 사용한다는 한계가 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김진영 박사 연구팀은 나노구조 조절을 통해 이리듐의 사용량을 20분의 1 수준으로 줄인 그린수소 생산을 위한 수전해 양극 촉매를 개발했다고 밝혔다. 그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비 2~3배 높은 가격을 낮춰야 하며, 이를 위해서는 수전해 스택 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이는 것이 중요하다. 현재 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술 및 나노 구조체 연구가 진행되고 있지만, 수전해 장치의 구동 조건에 적합하지 않거나 대량생산에 필요한 수준을 확보하지 못했다. 연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형(Jagged) 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 이를 통해 전극 내부의 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 기체 이동이 쉽게 만들었다. 그 결과, 전극 내 계층적 기공 구조를 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 활성이 높아지는 것을 확인했다. 상용 촉매의 성능과 비교하기 위해 요철형 표면구조를 가지는 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용했다. 촉매 사용량에 따른 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 1/20 수준으로(0.05 mg/cm2) 줄였음에도 불구하고 1.7 V 기준으로 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 보였다. 또한, 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 구동 특성을 확보했다. 이번 연구 결과는 고가의 이리듐을 20분의 1로 줄여도 고용량이 필요한 기존 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산 단가를 낮출 수 있음을 보였다. 연구팀은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일한 대면적 전극 제작 공정에 관한 연구를 수행할 예정이다. KIST 김진영 박사는 “물리적 구조 변형을 통하여 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며, “해당 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 미래수소원천기술개발사업(NRF-2021M3I3A1082879), 산업통상자원부(장관 안덕근) 에너지국제공동연구사업 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 세계 최고의 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF 24.4, JCR 분야 2.9%)에 게재됐으며 저널 Back Cover 표지로 선정됐다. [그림1] 요철 이리듐 나노튜브 촉매 개발 모식도 (상) PEM수전해 장치 내 Ir 촉매 담지량 저감시 문제점 모식도, (중) 본 연구팀에서 개발한 요철 이리듐 나노튜브 촉매 합성 모식도, (하) 요철 이리듐 나노튜브 촉매 활용 수전해 전극층 개발 모식도 [그림 2] 요철 이리듐 나노튜브 구조 분석 결과 (상) 개발 촉매 투과전자현미경 및 원소 분석 사진을 통한 형태 분석 결과, (하) 개발 촉매 분말 X-선 회절 분석 결과 * 논문명 : Ultrahigh Electrode Performance of Low-Loaded Iridium Jagged Nanotubes for Water Electrolysis Applications

- 수전해 촉매의 나노구조 조절로 이리듐 사용량 1/20 수준으로 절감 - 속이 비어있는 요철형 표면의 나노튜브 구조로 수전해 활성 및 내구성 개선 수전해는 현재 가장 친환경적인 에너지원으로 평가받는 그린수소를 생산하는 방법으로, 친환경에너지로부터 유래된 전기를 이용해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 과정을 거친다. 그러나 수전해 장치에는 전기에너지를 수소와 산소로 전환하는 데 도움을 주는 촉매가 필요한데, 에너지 전환 효율 및 내구성 문제로 인해 이를 백금이나 이리듐과 같은 값비싼 귀금속 물질로 사용한다는 한계가 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김진영 박사 연구팀은 나노구조 조절을 통해 이리듐의 사용량을 20분의 1 수준으로 줄인 그린수소 생산을 위한 수전해 양극 촉매를 개발했다고 밝혔다. 그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비 2~3배 높은 가격을 낮춰야 하며, 이를 위해서는 수전해 스택 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이는 것이 중요하다. 현재 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술 및 나노 구조체 연구가 진행되고 있지만, 수전해 장치의 구동 조건에 적합하지 않거나 대량생산에 필요한 수준을 확보하지 못했다. 연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형(Jagged) 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 이를 통해 전극 내부의 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 기체 이동이 쉽게 만들었다. 그 결과, 전극 내 계층적 기공 구조를 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 활성이 높아지는 것을 확인했다. 상용 촉매의 성능과 비교하기 위해 요철형 표면구조를 가지는 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용했다. 촉매 사용량에 따른 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 1/20 수준으로(0.05 mg/cm2) 줄였음에도 불구하고 1.7 V 기준으로 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 보였다. 또한, 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 구동 특성을 확보했다. 이번 연구 결과는 고가의 이리듐을 20분의 1로 줄여도 고용량이 필요한 기존 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산 단가를 낮출 수 있음을 보였다. 연구팀은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일한 대면적 전극 제작 공정에 관한 연구를 수행할 예정이다. KIST 김진영 박사는 “물리적 구조 변형을 통하여 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며, “해당 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 미래수소원천기술개발사업(NRF-2021M3I3A1082879), 산업통상자원부(장관 안덕근) 에너지국제공동연구사업 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 세계 최고의 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF 24.4, JCR 분야 2.9%)에 게재됐으며 저널 Back Cover 표지로 선정됐다. [그림1] 요철 이리듐 나노튜브 촉매 개발 모식도 (상) PEM수전해 장치 내 Ir 촉매 담지량 저감시 문제점 모식도, (중) 본 연구팀에서 개발한 요철 이리듐 나노튜브 촉매 합성 모식도, (하) 요철 이리듐 나노튜브 촉매 활용 수전해 전극층 개발 모식도 [그림 2] 요철 이리듐 나노튜브 구조 분석 결과 (상) 개발 촉매 투과전자현미경 및 원소 분석 사진을 통한 형태 분석 결과, (하) 개발 촉매 분말 X-선 회절 분석 결과 * 논문명 : Ultrahigh Electrode Performance of Low-Loaded Iridium Jagged Nanotubes for Water Electrolysis Applications

- 수전해 촉매의 나노구조 조절로 이리듐 사용량 1/20 수준으로 절감 - 속이 비어있는 요철형 표면의 나노튜브 구조로 수전해 활성 및 내구성 개선 수전해는 현재 가장 친환경적인 에너지원으로 평가받는 그린수소를 생산하는 방법으로, 친환경에너지로부터 유래된 전기를 이용해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 과정을 거친다. 그러나 수전해 장치에는 전기에너지를 수소와 산소로 전환하는 데 도움을 주는 촉매가 필요한데, 에너지 전환 효율 및 내구성 문제로 인해 이를 백금이나 이리듐과 같은 값비싼 귀금속 물질로 사용한다는 한계가 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김진영 박사 연구팀은 나노구조 조절을 통해 이리듐의 사용량을 20분의 1 수준으로 줄인 그린수소 생산을 위한 수전해 양극 촉매를 개발했다고 밝혔다. 그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비 2~3배 높은 가격을 낮춰야 하며, 이를 위해서는 수전해 스택 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이는 것이 중요하다. 현재 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술 및 나노 구조체 연구가 진행되고 있지만, 수전해 장치의 구동 조건에 적합하지 않거나 대량생산에 필요한 수준을 확보하지 못했다. 연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형(Jagged) 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 이를 통해 전극 내부의 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 기체 이동이 쉽게 만들었다. 그 결과, 전극 내 계층적 기공 구조를 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 활성이 높아지는 것을 확인했다. 상용 촉매의 성능과 비교하기 위해 요철형 표면구조를 가지는 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용했다. 촉매 사용량에 따른 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 1/20 수준으로(0.05 mg/cm2) 줄였음에도 불구하고 1.7 V 기준으로 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 보였다. 또한, 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 구동 특성을 확보했다. 이번 연구 결과는 고가의 이리듐을 20분의 1로 줄여도 고용량이 필요한 기존 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산 단가를 낮출 수 있음을 보였다. 연구팀은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일한 대면적 전극 제작 공정에 관한 연구를 수행할 예정이다. KIST 김진영 박사는 “물리적 구조 변형을 통하여 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며, “해당 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 미래수소원천기술개발사업(NRF-2021M3I3A1082879), 산업통상자원부(장관 안덕근) 에너지국제공동연구사업 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 세계 최고의 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF 24.4, JCR 분야 2.9%)에 게재됐으며 저널 Back Cover 표지로 선정됐다. [그림1] 요철 이리듐 나노튜브 촉매 개발 모식도 (상) PEM수전해 장치 내 Ir 촉매 담지량 저감시 문제점 모식도, (중) 본 연구팀에서 개발한 요철 이리듐 나노튜브 촉매 합성 모식도, (하) 요철 이리듐 나노튜브 촉매 활용 수전해 전극층 개발 모식도 [그림 2] 요철 이리듐 나노튜브 구조 분석 결과 (상) 개발 촉매 투과전자현미경 및 원소 분석 사진을 통한 형태 분석 결과, (하) 개발 촉매 분말 X-선 회절 분석 결과 * 논문명 : Ultrahigh Electrode Performance of Low-Loaded Iridium Jagged Nanotubes for Water Electrolysis Applications

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- 1년 이상의 장기간 지중저장 환경 모사 실험을 통한 물 저장 안정성 평가 - 물리적 침전 공정과 연결된 지중저장 모사 시스템에서 안정적 수질 확보 최근 전 세계적으로 기후변화로 인한 극한 홍수 및 가뭄이 반복되고 있다. 이에 대응하기 위해 미국, 네덜란드, 호주 등의 국가에서는 지중저장(인공함양)기술이 실제 물 공급에 활용되고 있다. 우리나라도 여름철에 비가 집중적으로 내리고, 극심한 강우가 발생해 도시 지역을 제외한 도서 지역과 농촌 지역에서는 물 공급에 어려움이 커지고 있다. 이런 상황에서 안정적으로 물을 저장하고 공급하기 위한 방법으로 지중저장 기술이 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 물자원순환연구단 정성필, 조경진 박사 연구팀은 안정적 물 저장 가능성을 향상시킬 수 있는 지중저장 기법을 개발했다고 밝혔다. 적절한 처리 없이 지표수를 지하 대수층에 주입할 경우, 주입수 내 존재하는 동화유기탄소(Assimilable organic carbon)와 같은 유기물을 먹이로 성장하는 미생물로 인한 공극 막힘 현상이 발생하는 한계가 있을 수 있다. KIST 연구팀은 기존 연구에서 인공적으로 제조한 원수에 함유된 동화유기탄소가 지중저장 모사 조건에서 미생물에 의해 감소될 수 있음을 확인한 바 있었다. 이번 연구는 인공적으로 제조한 원수가 아닌 실제 강물을 유입 원수로 이용해 지중저장의 주기적인 주입 및 회수 과정까지 모사했다. 약 13개월 동안 실험을 진행했으며 2주 간격으로 강물을 땅속 모래층에 주입하고 2주 후에 다시 물을 회수하는 방식을 반복하면서 그 과정에서 유기물과 미생물의 변화를 관찰했다. 실험을 통해 강물의 계절적 변화에도 불구하고 토양 유기물 및 저장된 물의 유기물 농도가 안정적으로 유지된다는 사실을 확인했으며, 이는 화학적 처리 없이 간단한 물리적 침전 공정만으로도 1년 동안 공극 막힘 현상 없이 안정적인 수질이 유지됐음을 시사한다. 연구팀은 지중저장 시스템에서 수질이 안정적으로 유지되는 이유를 규명하기 위해 미생물의 변화를 조사했다. 연구 결과 실제 강물에 존재하는 유기물을 먹이로 활용할 수 있는 마이크로바이옴이 계절별로 변화됨을 확인했다. 이는 지중저장 시스템 내 미생물이 유기물을 저감시켜 공극 막힘 현상을 방지하고 안정적인 수질 확보에 기여했음을 밝혔다. 이 연구에서 사용된 실험 기법은 국내 지중저장 부지를 테스트하고, 유입수 조건에 맞는 전처리 공정을 제안하는 데 활용될 수 있으며, 향후 지중저장 시스템의 안정적인 운영을 위해 유기물과 미생물에 대한 지속적인 분석이 필요할 것으로 사료된다. 또한, 회수된 물의 수질 평가와 적절한 전처리 공정을 통해 시스템을 안정적으로 유지할 수 있는 조건을 마련해야 한다. KIST 정성필 박사와 조경진 박사는 “이 연구 성과는 물 공급의 불균형 문제를 해소하기 위한 물의 대규모 저장 기술로서 활용되고 있는 지중저장 기술의 안정적 운영에 기여할 수 있는 성과”라고 말하며 “파일럿 규모의 대수층 모사 시스템 내에서의 장기간 유기물 및 마이크로바이옴 변화에 대한 연구는 전 세계적으로 초기 연구로서 향후 확장 가능성이 있다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화영향최소화기술개발사업(2020M3H5A1080712) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal」 (IF 13.3, JCR 분야 3.1%)에 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Comprehensive assessment for the seasonal variations of organic compounds and core soil microbiome in the simulated pilot-scale aquifer storage and recovery (ASR) system [그림 1] 지중저장 모사 파일럿 시스템 개념도 13개월 동안 약 2주 간격으로 강물을 주입, 저장 및 회수하는 물리적 침전 공정과 지중저장 모사 토양 컬럼이 결합된 지중저장 모사 파일럿 시스템 [그림 2] 토양 컬럼 내부 및 회수된 물에서의 유기물 농도 변화 토양 컬럼 내 위치 별 모래와 결합된 누적 유기물의 증가 및 회수된 물에서의 안정적 유기물 농도 결과