이리듐 촉매 함량 저감 시 발생하는 티타늄산화층 띠굽음 현상(KAIST 제공)

국내 연구진이 값비싼 수소를 저렴하게 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 얇은 고분자 막을 분리막으로 사용하는 고분자전해질 수전해 시스템에서 양극 귀금속 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 악화 현상을 규명했다고 22일 밝혔다.이로써 KAIST 생명화학공학과 두기수 박사가 제1 저자로 참여한 연구팀은 그린 수소 생산기술 저가화에 대한 실마리를 찾았다.

수전해 시스템은 효율적인 물의 분해를 위해 고가의 귀금속 기반의 촉매를 사용한다.

특히 이리듐 기반 촉매는 양극 반응에 가장 적합하나, 매장량이 적어 지금보다 10분의 1 수준의 촉매가 요구되는 고분자전해질 수전해 장치를 개발할 필요가 있다.

다만 이리듐 촉매 함량을 줄일 때 발생하는 급격한 성능 저하 현상이 고분자전해질 수전해 저가화의 발목을 잡고 있어 연구팀은 이리듐을 대체할 새 촉매의 발굴에 주력하고 있다.  이에 연구팀은 고분자전해질 수전해의 양극 내 이리듐 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 저하 문제가 촉매층과 확산층 계면에서 바인더의 함량이 증가하기 때문이라는 새로운 시각을 제시하고, 이를 규명했다.

연구팀에 따르면 이리듐 촉매와 티타늄 확산층이 접촉하면 티타늄 표면에 존재하는 자연 산화막의 전자띠가 굽는 띠굽음(band bending) 현상이 일어난다. 낮은 이리듐 함량의 전극에서는 이 띠굽음 현상이 바인더에 의해 증폭된다. 전자띠가 굽을수록 전자전달이 더욱 어려워지므로 성능 저하가 발생하게 되는 것이다.

연구팀은 띠굽음 현상이 완화된 계면을 설계하는 경우 이리듐 함량을 10분의 1 수준으로 저감해도 동일한 수전해 성능을 얻을 수 있음을 확인했다.

이는 전극계면의 조성을 변화시킴으로써 비싼 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 저감 가능하다는 것을 증명했다.

김희탁 KAIST 교수

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

산업통상지원부 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 `ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 온라인 판에 지난 12일 표지논문으로 실렸다.


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