한양대 서울-ERICA, '양성자교환막 수전해용 OER 촉매' 개발

[서울=뉴시스]이예인 인턴 기자 = 한양대학교 서울·에리카(ERICA) 캠퍼스와 성균관대학교 공동 연구팀이 이리듐(Ir) 사용 효율을 극대화해 높은 활성과 장기 안정성을 확보한 양성자교환막(PEM) 수전해용 산소발생반응(OER) 촉매를 개발했다.

29일 한양대에 따르면 이번 성과는 국제 학술지 '앙게반테케미 인터내셔널 에디션'에 게재됐다.

이번 연구에는 박성재·김재겸·양대희·임진규 한양대 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 한혁수 한양대 신소재공학부 교수, 김병현 에리카 에너지바이오학과 교수, 김정규·김영민 성균관대 교수가 공동 교신저자를 맡았다.

친환경 수소 생산용 PEM 수전해 장치는 산성 환경에서 작동해 희귀 귀금속인 이리듐을 촉매로 써야 하는 점이 상용화 걸림돌이었다.

대안으로 꼽힌 기존 페로브스카이트 촉매 역시 작동 중 스트론튬이 유실되며 OER에 유리한 저산화수 이리듐(Ir³⁺) 비율이 줄어 성능이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 스트론튬·지르코늄·이리듐 촉매에 레늄(Re)을 약 1중량％ 수준으로 도핑해 돌파구를 찾았다.

고원자가 레늄이 인접한 이리듐 전자 상태를 조절해 평균 산화수를 낮추고, 전기분해 시 과산화를 억제해 활성점이 안정화된 것이다.

개발된 Re-SZIO 촉매는 과전압 조건에서 비교군 대비 약 60배 높은 활성을 보였다. 산성 환경에서 600시간 동안 뚜렷한 성능 저하가 없었으며, 실제 수전해 장치에서도 귀금속 사용량을 크게 줄인 채 500시간 이상 성능을 유지했다.

연구팀은 성능 향상 원리도 규명했다. 실시간 적외선 분광, 밀도범함수이론(DFT) 기반 계산 등을 분석한 결과, 레늄·이리듐·산소 간 상호작용으로 두 가지 화학반응 경로(AEM·OPM)가 동시 작동하는 '하이브리드 반응 경로'가 형성됨을 확인했다.

특히 이번 성과는 양 캠퍼스 역량을 결합한 결과라 의미가 깊다. 한 교수팀은 연구 총괄 및 촉매 설계·합성, 첨단 분광 분석을 주도했고, 김 교수팀은 DFT 기반 모델링으로 하이브리드 반응 경로를 원자 수준에서 정량 규명했다.

한 교수는 "레늄 도핑으로 이리듐의 전자 상태와 반응 경로를 동시 제어할 수 있음을 보였다"며 "이번 연구가 수전해 경제성 제고에 기여하길 바란다"고 말했다.

김 교수는 "서울캠퍼스 실험 역량과 에리카캠퍼스 계산과학 역량을 결합해 시너지를 냈다"고 강조했다.


◎공감언론 뉴시스 yein020528