[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 플랫폼연구실 김병현 박사 연구진(수소연구단 조현석, 김창희 박사)이 경북대학교(김명진 교수), 미국 조지아텍(이승우 교수)과의 공동연구를 통해 저렴한 그린수소 생산의 핵심인 고성능‧고내구성을 확보한 수전해 촉매를 개발했다.

이는 세계 최고 수준의 수전해 촉매 개발기술로, 하나의 금속산화물에서 온도 조절만으로 나노입자의 조성을 최적화해 더 많은 산소와 수소를 발생시킬 수 있다. 

특히 촉매의 성능 향상뿐 아니라 계산과학을 통한 원리 규명으로 수전해, 연료전지 기술 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 광범위하게 적용될 수 있다.

연구진은 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원 온도가 서로 다르다는 것에 착안, 정밀한 환원 온도 제어를 통해 표면으로 용리(석출)되는 나노입자의 조성을 최적화하는 방법을 개발했다. 

500℃의 환원 온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를, 550℃의 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생성해 서로 다른 조성을 갖는 금속나노입자-금속산화물 촉매를 성공적으로 생산했다.

니켈-금속산화물로 이루어진 산소발생 촉매와 니켈루테늄-금속산화물로 이루어진 수소발생 촉매를 수전해 장치의 양극과 음극에 적용한 결과 기존의 이리듐, 백금 촉매를 사용한 상용 수전해 장치 대비 61% 향상된 수소발생을 달성했으며 30시간의 장기구동에서도 98% 이상의 성능을 유지해 높은 내구성을 갖는 것을 확인했다.

연구진은 다양한 전기화학적 분석, 실시간 X-선 흡수 분광법 및 계산과학을 이용한 분석 결과를 토대로 촉매 성능 향상의 주 원인이 금속나노입자-금속산화물의 다양한 시너지 효과에 있다는 점을 규명했다.

수전해 장치에서 산소발생이 잘 일어나기 위해서는 금속산화물의 높은 전하 이동 특성이 중요하다. 니켈-금속산화물로 이루어진 산소발생 촉매는 환원 온도 제어를 통해 나노입자를 형성하는 과정에서 내부에 원자단위 산소 빈자리 결함이 생기는데, 산소 빈자리 결함이 금속나노입자-금속산화물 간의 전하 이동 향상을 유도해 전기화학적 특성을 향상시키는 주요 요인임을 밝혔다.

이번 연구를 통해 개발한 니켈-금속산화물 촉매의 니켈 금속나노입자가 향상된 전하 이동으로 산소발생 반응에 매우 효과적으로 잘 알려진 니켈옥시하이드록사이드(NiOOH)로 쉽게 변환될 수 있음을 확인한 것이다.

수소발생은 물 분자가 분해되어 수소이온이 촉매 표면에 흡착이 일어나는 반응과 흡착된 수소이온이 서로 만나는 반응을 통해 일어난다. 연구진이 개발한 니켈루테늄-금속산화물 촉매가 금속산화물 표면에서는 빠른 물 분해 반응이, 금속나노입자에서는 우수한 수소발생 반응이 일어나는 것을 확인했다.

특히 연구에 사용된 금속산화물의 표면이 금속 표면에 비해 약 5배 정도 빠르게 물 분해 반응을 촉진시킬 수 있음을 확인했다. 또한 루테늄이 니켈 금속나노입자 사이에 들어감에 따라 금속나노입자의 전기화학 특성이 변화하면서 수소발생이 더욱 잘 일어나는 것을 확인했다.

플랫폼연구실 김병현 박사는 “계산과학을 바탕으로 수전해 촉매의 성능 향상 원인을 성공적으로 규명할 수 있었고, 나아가 본 연구 결과는 새로운 촉매를 디자인하는 데 큰 도움이 된다”며 “실험 관찰이 어려운 나노 촉매 분야에서는 전기화학 반응을 이해하기 위한 계산과학이 필수”라고 강조했다.

경북대학교 김명진 교수는 “이 촉매 기술은 하나의 모체에서 환원 온도의 조절만으로 산소발생 촉매와 수소발생 촉매를 동시에 생산할 수 있는 데 의의가 있고, 이 기술은 다양한 금속산화물에 광범위하게 적용할 수 있다”고 설명했다.

한편 이번 연구 성과는 영국왕립화학회에서 발행하는 에너지‧환경 분야의 권위지인 ‘에너지 & 인바이론먼털 사이언스’의 5월 표지논문으로 게재됐다.