그린 수소 생산 상용화에 기여 가능성 확보

[산업일보]
친환경 그린 수소 생산을 위한 핵심 기술인 수전해(Water electrolysis)에 사용되는 고성능 전기 촉매가 개발됐다.

그린 수소는 신재생 에너지를 이용해 물을 전기분해해 얻어지는 친환경 수소를 말한다.

한국연구재단은 연세대학교 박형호 교수 연구팀(이하 연구진)이 새로운 고성능 수소 발생 촉매 소재로 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔 소재를 개발했다고 밝혔다.

수소 발생 촉매 중 유일하게 상용화된 전기 촉매인 백금/탄소(Pt/C)는 높은 촉매 특성을 나타내지만, 사용 시간의 증가에 따라 백금/탄소에 있는 탄소가 분해/산화돼 촉매 성능이 심각하게 저하되는 문제점을 나타낸다.

또한, 금속 산화물을 사용해 전기 촉매(Pt/MOx)의 안정성을 확보하고자 하는 연구가 진행돼 왔으나, 기존에 보고된 금속 산화물들은 낮은 전기전도도와 작은 비표면적 등으로 인해 고효율의 촉매 특성 확보에 어려움이 있었다.

이에, 연구팀은 에어로겔 구조를 갖는 주석 산화물을 합성한 뒤 불소의 도핑을 통해 높은 전기전도도를 보유한 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔을 합성했다.

나노 기공구조를 갖는 에어로겔은 수 나노 크기의 입자가 3차원 구조를 형성해 높은 기공률과 큰 비표면적을 구현할 수 있는 구조이다.

연구진에 따르면, 개발한 에어로겔은 약 20g으로 축구장 면적을 덮을 수 있을 만큼의 큰 비표면적을 갖는 소재로 나노 구조와 표면 활성을 높일 수 있다.

또한 전기 촉매의 구조 지지체로 적용하고 백금 나노 클러스터를 복합화해 강한 분자간 힘을 바탕으로 전하의 이동을 높여, 기존 백금/탄소 촉매 대비 약 22배의 수소 변환 효율과 5.4배의 내구성을 갖는 전기 촉매를 개발했다.

개발한 촉매는 기존 백금/탄소 촉매보다 5mV 작은 작동 전압을 갖는다. 이는 금속 산화물을 지지체로 사용한 전기 촉매 중 최고 수준이라는 게 연구진의 설명이다.

이번 연구를 통하여 용액 공정에서 효과적으로 불소를 도핑할 수 있는 기술을 확보했고, 촉매뿐만 아니라 큰 비표면적과 높은 전기전도도가 모두 필요한 센서, 디스플레이, 연료전지, 열전 분야에 전극 소재 등으로 적용이 가능할 것으로 전망된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업의 지원으로 수행됐다.