KAIST, 초박막 나노시트 촉매로 수소생산 비용 줄이고 효율 높여

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 종이처럼 얇은 시트 구조의 촉매기술을 개발해 귀금속 사용량을 줄이면서 수소 생산과 연료전지의 성능을 높이는데 성공했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 신소재공학과 조은애 교수팀이 값비싼 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다.

수전해 장치와 연료전지는 수소에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심기술이지만 촉매로 사용되는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)이 희귀하고 가격이 비싸 경제성이 떨어진다.
 
또 기존 촉매는 작은 입자형태여서 실제반응에 활용되는 면적이 제한적이고 장시간 사용 시 성능저하가 불가피했다.

이번에 KAIST 연구팀은 알갱이처럼 뭉쳐 있던 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼쳐 지름 1~3㎛(마이크로미터), 두께 2㎚(나노미터) 이하의 초박막 이리듐 나노시트기반의 수전해 촉매를 개발했다.
 
이를 통해 같은 양의 이리듐으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘려 적은 금속으로 더 많은 수소를 만들 수 있도록 했다.

연구팀은 "기존 전기가 잘 통하지 않아 촉매 지지체로 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 초박막 나노시트들이 서로 이어져 연결된 '전기가 다닐 수 있는 길'을 만들었다"며 "이를 통해 산화티타늄도 안정적인 촉매 받침대로 사용할 수 있게 됐다"고 설명했다.

시험 결과, 해당 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐으며 실제 산업현장에 가까운 고부하 조건(1A/㎠)에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다.
 
특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 보여 귀금속 사용량을 획기적으로 낮출 수 있음을 입증했다.

연구팀은 이 초박막 나노시트 설계전략을 연료전지 촉매에도 적용해 머리카락 두께의 수만 분의 1에 불과한 백금-구리 촉매를 만들어 반응효율을 극대화시켰다.

이 촉매는 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐고 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다. 5만번의 가속 내구성 시험 이후에도 초기성능의 약 65%를 유지해 기존 촉매보다 뛰어난 내구성도 확인됐으며 백금 사용량은 약 60%나 줄었다.

이번 연구 결과는  재료공학 분야 국제 학술지 'ACS Nano'와 'Nano Letters' 등 두곳에 잇따라 게재됐다.

조은애 교수는 "값비싼 귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다"며 "이번 연구는 수소에너지의 생산비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다.


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