화학뉴스

국내 연구진이 그린수소 생산 비용을 현저히 낮추는 기술을 개발했다.
고려대학교 이광렬 교수 연구팀, 성균관대학교 이상욱 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 동국대학교 진하늘 교수 연구팀은 백금, 루테늄(Ruthenium), 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브 형태로 구현한 음이온교환막 수전해(AEM) 장치용 양극재 소재를 개발했다.
그린수소는 이산화탄소(CO2) 배출이 없는 친환경 방식으로 생산되는 수소이며 탄소중립의 핵심기술로 평가된다. 
현재 생산되는 수소 대다수를 차지하는 그레이수소와 달리 전기에너지로 물을 분해해 생산하는 그린수소는 이산화탄소 배출 없이 수소를 생성할 수 있는 방식으로 주목받고 있다.
음이온교환막 수전해 기술은 알칼라인 수전해(AEC)와 고분자전해질막 수전해(PEM)의 우수한 특성을 결합한 혁신적인 차세대 수전해 기술로 평가되고 있으나 현재 적용하는 촉매의 낮은 활성 및 내구성으로 상용화가 제한되고 있어 가격 경쟁력이 있는 촉매 물질의 개발이 필요하다.
연구팀은 음·양이온교환 방식으로 나노입자를 제어해 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 3원계 물질을 이중벽 나노튜브 형태로 구현하는데 성공하고 양극재 소재로 활용해 음이온교환막 수전해 장치를 최적화해 그린수소 생산 단가를 크게 낮추었다.
백금·류테늄·인 기반 이중벽 나노튜브 수전해 촉매는 2.0V 영역에서 전류밀도가 평방센티미터당 9.40A로 상용 촉매인 백금 촉매 대비 1.7배 이상 우수한 것으로 나타났으며 내구성도 약 270시간 이상으로 확인됐다.
연구팀은 인 음이온으로 격자화된 루테늄과 백금이 물 분해와 수소 생산에 특화됐음을 발견했으며 나노구조 안에서 원자들의 시너지 효과를 구현하면 촉매의 성능을 극대화할 수 있음을 밀도범함수 이론적 분석과 실시간 operando XAS 실험분석을 통해 입증했다.
이광렬 고려대 교수는 “나노 촉매 개발에 있어서 이온 교환이라는 완전히 새로운 방식으로 물질의 상과 형태를 제어한 것”이라며 “다양하고 우수한 나노 촉매를 개발하는 방법론으로의 확장이 가능해 수전해 촉매 기술이 새로운 차원으로 성장할 수 있을 것으로 예상된다”고 강조했다. (윤)