카이스트 '그린수소' 저가생산 실마리 풀었다

김나윤 기자 / 기사승인 : 2023-05-22 10:12:06
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'이리듐' 촉매 사용량 10분의 1로 저감
그린수소 생산 '효율과 가격' 모두 충족
▲이리듐 촉매 함량 저감시 발생하는 티타늄 산화층 띠굽음 현상 (자료=카이스트)


국내 연구진이 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 '그린수소' 생산비용을 낮출 수 있는 실마리를 풀었다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀은 얇은 고분자 막을 분리막으로 사용하는 고분자전해질 수전해 시스템에서 양극 귀금속 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 악화 현상을 규명해 그린수소 생산기술 저가화에 대한 실마리를 찾았다고 22일 밝혔다.

양이온 전도성 고분자 전해질 수전해는 물을 전기분해해 수소 기체를 발생시키는 친환경 수소생산 장치로 기존 알칼리성 수전해보다 성능이 높고 수소생산 순도도 높다는 것이 강점이다. 이 수전해 시스템은 산성 환경에서 작동하며, 효율적인 물 분해를 위해 백금이나 이리듐 등 귀금속을 촉매로 사용한다.

문제는 귀금속은 수급이 부족하고 가격이 높다는 점이다. 특히 이리듐 촉매는 양극 반응에 가장 적합하지만 매장량이 적어 현재보다 사용량을 10분의1 수준으로 낮춰야 한다. 하지만 이리듐 함량을 줄이게 되면 성능이 저하되므로 그린수소 생산비용을 낮추는 데 걸림돌이 되고 있다. 이렇다보니 대부분의 연구들이 이리듐을 대체하는 새로운 촉매 발굴에 주력하고 있다.

▲이리듐 함량 감소에 따른 급격한 성능 저하 및 계면 전자전달 저항 발생 현상 (자료=카이스트)

수전해 시스템에 사용하는 전극은 이리듐 촉매와 바인더로 구성된 촉매층 그리고 티타늄 확산층이 결합된 구조다. 연구팀은 고분자 전해질 수전해의 양극 내 이리듐 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능저하 문제가 촉매층과 확산층 계면에서 바인더 함량이 증가하기 때문이라는 새로운 시각을 제시하고 이를 규명했다.

이리듐 촉매와 티타늄 확산층이 접촉하면, 티타늄 표면에 존재하는 자연 산화막의 전자띠가 굽는 띠굽음(band bending) 현상이 일어난다. 연구에 따르면 낮은 이리듐 함량의 전극에서는 이 띠굽음 현상이 바인더에 의해 증폭된다. 전자띠가 굽을수록 전자전달이 어려워져 성능이 저하되는 것이다.

연구팀은 띠굽음 현상이 완화된 계면을 설계하면 이리듐 함량을 10분1 수준으로 저감시켜도 동일한 수전해 성능을 얻을 수 있다고 밝혔다. 이는 전극계면의 조성을 변화시켜 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 저감할 수 있다는 것을 증명했다.

김희탁 교수는 "이번 연구결과는 그동안 베일에 싸여있던 이리듐 저감형 수전해 전극의 성능 문제를 짚어 그 이유를 규명하고 해결 전략을 제공했다는 점에서 중요한 의미가 있다"라고 말하면서 "이를 바탕으로 효율과 가격을 동시에 잡을 수 있는 그린 수소 생산 시스템의 개발에 응용되기를 기대한다"고 말했다.

산업통상자원부 에너지기술개발사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구결과는 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 게재됐다.

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