‘초박막 나노시트’로 수소 에너지 상용화 앞당긴다

[산업일보]
수소 에너지는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 장치와, 이를 전기 에너지로 변환하는 연료전지가 핵심 기술이다. 그러나 촉매로 활용되는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)이 귀금속이라는 점이 상용화의 걸림돌로 작용했다. 이에, 촉매 구조의 변화를 통해 귀금속 촉매 사용량을 줄이고 수소 생산 및 연료전지 성능을 향상하는 기술이 개발됐다.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 조은애 교수팀(이하 연구진)은 최근 새로운 촉매 구조 연구 결과를 발표했다.

기존 촉매는 알갱이 형태로 만들기는 쉬웠으나 귀금속을 비효율적으로 사용하고 수명이 짧다는 한계가 지적됐다.

연구진은 알갱이 형태의 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼쳐 지름 1~3마이크로미터(㎛·100만분의 1미터), 두께 2나노미터(nm·10억분의 1미터) 이하의 초박막 이리듐 나노시트를 개발했다. 이리듐이 반응에 참여하는 면적을 크게 확장해 기존보다 적은 금속으로 더 많은 수소를 생산할 수 있게 됐다.

해당 촉매는 상용 촉매보다 수소 생산 속도가 38% 향상됐고, 실제 산업 현장에 가까운 1 A/cm²(제곱센티미터당 1암페어)의 고부하 조건에서도 1천 시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 보였다.

연구진은 이리듐 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용해, 머리카락 두께의 수만 분의 1에 불과한 ‘백금-구리 촉매’를 만들었다. 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 13%가량 개선됐고, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 보였다.

백금-구리 촉매는 5만 회의 가속 시험 후에도 초기 성능의 65%가량을 유지했고, 백금 사용량을 약 60% 줄이고도 동일한 성능을 구현했다.

조은애 교수는 보도자료를 통해 ‘귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상할 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다’라며 ‘이번 연구는 수소 에너지 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것’이라고 전했다.