에너지연, 그린 수소 새상용 고성능 수전해 촉매 개발
에너지연, 그린 수소 새상용 고성능 수전해 촉매 개발
  • 이성현 기자
  • 승인 2021.06.03 13:36
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연구를 통해 개발한 고성능 수전해 촉매 개념도
연구를 통해 개발한 고성능 수전해 촉매 개념도

한국에너지기술연구원이 그린수소 생산의 핵심인 고성능·고내구성을 확보한 수전해 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 촉매 기술 개발로 다양한 전기화학 촉매 분야에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

많은 국가들이 탄소중립 실현을 위해 탈탄소화 전략을 마련하고, 우리나라의 경우 그 핵심수단으로 수소를 10대 기술로 선정하고 기술개발에 나서고 있다.

연구진은 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원 온도가 서로 다르다는 것에 착안해 정밀한 환원 온도 제어를 통해 표면으로 용리되는 나노입자의 조성을 최적화하는 방법을 개발했다.

이를 이용해 500℃의 환원 온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를, 550℃의 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생성해 서로 다른 조성을 갖는 금속나노입자-금속산화물 촉매를 성공적으로 생산했다.

연구진이 수소발생 촉매를 수전해 장치의 양극과 음극에 적용한 결과 기존의 이리듐, 백금 촉매를 사용한 상용 수전해 장치에 비해 61% 향상된 수소 발생을 달성했으며 30시간의 장기구동에서도 98% 이상의 성능을 유지해 높은 내구성을 갖는 것을 확인했다.

또 다촉매 성능 향상의 주요 원인이 금속나노입자-금속산화물의 다양한 시너지 효과임을 규명하고, 산소 빈자리 결함이 금속나노입자-금속산화물 간의 전하 이동 향상을 유도해 전기화학적 특성을 향상시키는 주요 요인임을 밝혔다.

연구진이 개발한 니켈루테늄-금속산화물 촉매는 금속산화물 표면에서는 빠른 물 분해 반응이, 금속나노입자에서는 우수한 수소 발생 반응이 일어났다. 금속 표면에 비해 약 5배 정도 빠르게 물 분해 반응을 촉진시킬 수 있음을 확인했다.

이와 함께 루테늄이 니켈 금속나노입자 사이에 들어감에 따라 금속나노입자의 전기화학 특성이 변화해 우수한 수소 발생 반응이 일어나는 것도 확인했다.

김병현 박사는 “계산과학을 바탕으로 수전해 촉매의 성능 향상 원인을 성공적으로 규명할 수 있었고, 나아가 본 연구 결과가 새로운 촉매를 디자인하는 데 큰 도움이 될 것”이라며 “실험적 관찰이 어려운 나노 촉매 분야에서는 전기화학적 반응을 이해하기 위한 계산과학이 필수적이라고 강조했다.

한편 이번 연구에는 플랫폼연구실 김병현 박사 연구진과 경북대 김명진 교수, 미국 조지아텍 등이 공동 참여했다.

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