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- 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 박사연구팀은 나노구조 조절을 통해 이리듐의 사용량을20분의1수준으로 줄인그린수소 생산을 위한 수전해 양극 촉매를 개발했다고 밝혔다.
그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비2~3배 높은 가격을낮춰야 하며,이를 위해서는 수전해 스택 생산비용의 약40%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 수준을확보하지 못했다.
연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해요철형(Jagged)표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다.이를 통해 전극 내부의 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해부피 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 사용량을1/20수준으로(0.05 mg/cm2)줄였음에도불구하고1.7 V기준으로 상용 촉매에 비해 약4배 높은 수전해성능을 보였다.또한, 100시간 내구 평가에서도5%이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 구동 특성을 확보했다.
이번 연구 결과는 고가의 이리듐을20분의1로 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.
KIST김진영 박사는“물리적 구조 변형을 통하여 기존의 귀금속 저감형수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며, “해당 기술을 통해 그린수소의생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈수 있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아KIST주요사업및 미래수소원천기술개발사업(NRF-2021M3I3A1082879),산업통상자원부(장관 안덕근)에너지국제공동연구사업 등으로 수행됐다.이번 연구 성과는 세계 최고의 에너지 분야 국제학술지‘Advanced Energy Materials’(IF 24.4, JCR분야2.9%)에 게재됐으며 저널Back Cover표지로 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
