전북대학교 이중희 교수팀(나노융합공학과)이 참여한 공동 연구진이 ‘음이온 교환막(AEM) 방식의 수전해 장치’에 적용할 수 있는 세계 최고 효율을 갖는 촉매를 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.
이에 따르면 수전해 장치에는 현재 백금(Pt)이나 루테늄/이리듐(Ru/Ir) 기반의 고가 귀금속 촉매가 적용되고 있는데, 재료 원가가 비싸고 세계적으로 매장량도 제한적이다. 이에 수전해 장치의 제작비용을 증가시켜 상용화에 걸림돌이 되는 주요 원인이 되고 있다. 또한 장시간 사용 시 촉매 입자가 떨어지거나 응집돼 수전해 장치의 성능이 급격하게 떨어지는 문제점을 안고 있다.
이를 해결하기 위해 이 교수팀은 우수한 전기화학적 특성을 갖고 있는 철과 망간 전이금속이 결합된 니켈 층상 이중 수화물(LDH) 구조체를 만들어 표면적이 넓으면서도 복합화 된 구조체 표면에 소량의 백금 단원자 촉매를 흡착시키는 방법으로 저가이면서도 촉매 활성도가 높은 수전해 촉매를 개발한 것.
이번 연구 결과는 에너지소재 분야 세계 최고 학술지인 『ACS Nano』의 최신호에 게재됐다.
특히 이번에 개발된 촉매는 현재 상용화 된 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 비교해 질량당 약 15.45배 정도 높은 촉매 활성을 보였고, 최적화 된 전자 특성으로 물을 분해해 수소가스 발생 속도를 크게 높였다.
또한 600시간 이상의 장시간 구동 후에도 거의 성능 저하가 일어나지 않을 정도로 매우 우수한 내구성을 보였으며, 이는 현재 수전해 관련 산업계가 필요로 하는 고효율과 고내구성을 동시에 충족해 큰 기대를 받고 있다.
이중희 교수는 “이번에 개발된 수전해 촉매는 현재 그린 수소의 대량 생산을 위한 핵심 원천기술이고, 우리나라의 수전해 장치 기술을 진일보 시키는데 크게 기여할 것”이라며, “이번 성과는 전 세계적으로 초기 연구단계에 있는 음이온 교환막 수전해 장치의 원천기술을 선점할 수 있다는 데 의미가 있다"고 밝혔다.
이어 "산업계가 요구하는 높은 수소생산 비용과 효율을 해결할 수 있는 핵심소재 기술이기에 산업계에 미치는 파급 효과 또한 매우 클 것”이라고 강조했다.
한편, 이번 연구는 전북대 나노융합공학과 이중희 교수와 김남훈 교수, 트란듀이 탄 교수와 트란 코아 당 박사과정생의 협업으로 이뤄낸 성과다.
개발된 촉매기술은 해당 핵심연구원들이 창업한 벤처 기업인 (주)아헤스(AHES)에서 실제 수전해 장치에 적용, 상용화 기술을 확보한다는 계획이다.
/장은성 기자
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