[지금은 과학] ‘매력적 에너지’ 수소 생산, 효율 20배 높은 촉매 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 수소생산에 사용되고 있는 기존 촉매와 비교했을 때 20배 이상 효율이 더 높은 나노 촉매가 개발됐다. 수소 경제 시대를 앞두고 수소를 더 값싸게 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 정연식 교수 · 한국과학기술연구원(KIST) 김진영 박사 공동연구팀은 9일 차세대 에너지원인 수소생산에 사용되고 있는 기존의 촉매 대비 20배 이상 효율을 더 높인 신개념 3차원 나노 촉매 소재 기술개발에 성공했다고 발표했다.

수소 경제는 화석연료 중심의 현재 에너지 공급 체계에서 벗어나 수소를 에너지원으로 사용하는 미래형 산업 구조를 일컫는다. 수소는 친환경적이면서 높은 효율을 가지고 있다. 매력적 에너지로 꼽힌다.

정부도 수소 경제 육성과 활성화를 위해 적극적으로 나서고 있다. 수소 경제 현실화를 위해서는 수소를 값싸게 생산할 수 있어야 한다.

이 중에서도 ‘고분자 전해질막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE)’ 기술은 태양전지 또는 잉여 전기에너지를 이용해 물을 전기분해함으로써 친환경적으로 순도가 높은 수소를 생산하는 차세대 유망 기술이다.

KAIST-KIST 공동연구팀은 전기분해 장치의 양극에 사용되는 고가의 이리듐(Ir) 촉매 사용량을 획기적으로 감축할 수 있는 새로운 개념의 3차원 촉매 소재 기술을 개발했다. 이리듐 촉매는 금 수준으로 매우 비싸다. 고분자 전해질막 수전해 장치 상용화를 위해서는 사용량 감축은 물론 효율을 대폭 개선할 필요가 있다.

연구팀은 3차원 프린팅과 유사한 원리인 초미세 전사 프린팅 적층 기술을 활용해 ‘성냥개비 탑(Woodpile)’ 형상의 3차원 이리듐 촉매 구조를 인쇄 방식으로 제작하는 기술을 개발했다. 무작위적 형상과 배열을 가지는 기존 상용 이리듐 나노입자 촉매와 달리 3차원 촉매는 규칙적 구조를 지닌다.

촉매 표면에서 생성된 가스 버블(bubble)이 효율적으로 잘 빠져나오는 특징을 갖는다. 공동연구팀 관계자는 결과적으로 3차원 촉매의 경우 높은 활성도를 유지한다고 설명했다.

성냥개비 탑 형상의 3차원 촉매를 사용하게 되면 훨씬 더 적은 양의 이리듐을 사용하고도 전기분해 장치의 성능을 더 높게 구현할 수 있다. 이리듐 질량 당 촉매 효율로 환산하면 20배 이상의 높은 효율을 보일 정도의 기술이라고 전문가들은 평가했다.

카이스트 신소재공학과 석사과정 졸업생이면서 미국 MIT 박사과정에 재학 중인 김예지 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 10월 1일 자(논문명: Highly efficient oxygen evolution reaction via facile bubble transport realized by three-dimensionally stack-printed catalysts) 字 온라인판에 실렸다.

정연식 카이스트 교수는 “연구팀이 개발한 3차원 적층 프린팅 방식의 촉매 생산기술은 복잡한 화학적 합성에 주로 의존하던 기존 기술의 패러다임을 뒤집은 것”이라며 “앞으로 이산화탄소 전환, 배기가스 감축 등 다양한 분야에 상업적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.