KAIST, 귀금속 사용량을 50% 감소시킨 친환경 수소 생산 전극 개발
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KAIST, 귀금속 사용량을 50% 감소시킨 친환경 수소 생산 전극 개발
  • 송윤영 기자
  • 승인 2020.09.15 13:00
  • 조회수 33
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신소재공학과 조은애 교수 연구팀, 수소 생산을 위한 귀금속 촉매 사용량 50% 감소 성공
(사진) 조은애 교수
(사진제공=KAIST)조은애 교수

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = 화석 에너지 사용에 따른 기후변화를 극복하기 위해 최근 전 세계적으로 재생에너지 발전량이 증가하는 추세에 따라 수소가 재생에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 우리 정부도 작년 1월 `수소 경제 활성화를 위한 로드맵'을 발표한 바 있다.

KAIST(총장 신성철)는 신소재공학과 에너지 변환 및 저장재료 연구실 조은애 교수 연구팀이 촉매로 사용되는 귀금속 사용량을 50% 저감한 수전해 전극을 개발했다고 15일 밝혔다. 

수전해는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 장치인데 수소 생산과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 그린 수소 생산 기술이다. 그러나  매장량이 백금의 10분의 1에 불과한 귀금속인 이리듐을 촉매로 사용하기 때문에 수소 생산단가가 높다는 단점이 있다. 이에 따라 조은애 교수팀이 개발한 기술을 사용하면 이리듐 사용량을 절반으로 줄일 수 있어 그린 수소 생산단가를 크게 낮출 수 있을 것으로 기대가 크다.

수전해는 수소 경제 구현을 위한 핵심 기술 중 하나다. 조 교수 연구팀은 티타늄과 몰리브데넘 산화물 담지체를 개발해, 이리듐 나노 입자의 분산도를 높여 기존 사용되고 있는 이리듐 촉매와 대비해 성능과 내구성을 2배 이상 높이는 데 성공했다. 

연구팀 관계자는 "이리듐과 산화물 담지체 사이의 전자이동으로 인해 이리듐의 전자구조가 산소 발생 반응에 최적화돼 있어 성능과 내구성이 크게 향상됐다ˮ고 설명했다.

조은애 교수도 "기존에 개발된 대부분의 수전해 촉매들이 실제 시스템에서는 성능을 제대로 구현하지 못하는데 이번 연구에서 개발한 촉매를 사용해 실제 수전해 시스템을 제작한 결과, 이리듐 사용량을 50%나 줄였음에도 불구하고 상용 촉매와 동일한 성능을 보여줬다는데 큰 의미가 있다ˮ고 말했다. 조 교수는 이어 "앞으로도 그린 수소 생산 실용화를 위해 고활성·고내구성 전극 촉매개발을 위한 연구를 이어갈 계획ˮ이라고 포부를 밝혔다. 

김엄지 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 촉매 분야 국제 학술지인 `어플라이드 카탈리시스 B: 인바이러멘탈 Applied Catalysis B: Environmental' 8월 25일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Stabilizing role of Mo in TiO2-MoOx supported Ir catalyst toward oxygen evolution reaction)

한편 조 교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 수소에너지혁신기술개발사업과 미래소재디스커버리사업, 산업통상지자원부와 한국산업기술진흥원의 수소연료전지차 부품실용화 및 산업기반육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 

그림 1. Ir/TiO₂-MoOx 담지촉매의 투과 현미경(TEM) 이미지와 에너지 분산형 분광분석(EDS) 이미지
그림 1. Ir/TiO₂-MoOx 담지촉매의 투과 현미경(TEM) 이미지와 에너지 분산형 분광분석(EDS) 이미지
그림 2. Ir/TiO₂-MoOx 에서 이리듐 촉매와 티타늄-몰리브데넘 산화물의 상호작용
그림 2. Ir/TiO₂-MoOx 에서 이리듐 촉매와 티타늄-몰리브데넘 산화물의 상호작용
그림 3. 상용 이리듐 촉매와 이리듐 사용량을 절반으로 줄인 Ir/TiO₂-MoOx 촉매의 수전해 성능
그림 3. 상용 이리듐 촉매와 이리듐 사용량을 절반으로 줄인 Ir/TiO₂-MoOx 촉매의 수전해 성능

○ 연구 내용

고분자 전해질 수전해 기술은 높은 전류밀도와 넓은 인가전력 범위, 그리고 빠른 응답특성으로 수소생산 기술 중에서도 신재생에너지와 연계성이 우수한 기술로 각광 받고 있다. 하지만 고분자 전해질 수전해 기술의 경우 구성 요소들의 높은 가격이 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 물을 전기 분해 시키는 경우 환원전극에서는 수소가 발생되고 산화전극에서는 산소가 발생되게 된다. 특히 산소가 발생되는 전극촉매의 경우 고가의 이리듐 촉매가 다량으로 사용되어 수전해 시스템 설치 가격을 높인다.

이리듐 이용효율을 극대화하여 사용량을 저감하기 위하여 담지체를 전극촉매에 적용할 수 있다. 그러나 산소발생반응의 경우 고전압과 산성환경으로 내구성이 좋은 담지체의 개발이 필요하다. 이에 티타늄 산화물-몰리브데넘 산화물 (TiO2-MoOx) 담지체를 이리듐 전극 촉매에 적용(Ir/TiO2-MoOx)하여 촉매 성능 및 내구성을 향상시켰다.

성능 및 내구성 향상의 원인을 규명하고자 X선을 이용한 분석을 진행한 결과, 이리듐과 TiO2-MoOx 담지체 간의 상호작용(metal support interaction)으로 인하여 이리듐의 전자구조가 변화하는 것을 확인하였다.

또한 개발된 Ir/TiO2-MoOx 담지촉매를 수전해 단위전지에 적용하여 상용촉매 대비 우수한 수전해 전지 성능을 확인했다.


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