차세대 유망 에너지원인 ‘그린수소’를 저비용으로 대량생산 할 수 있는 것이 ‘음이온 교환막(Anion exchange membrane: AEM) 방식의 수전해 장치’다. 전북대학교 이중희 교수팀(나노융합공학과)이 참여한 공동 연구진이 이 수전해 장치에 적용할 수 있는 세계 최고 효율을 가지는 촉매를 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

이 수전해 장치에는 현재 백금(Pt)이나 루테늄/이리듐(Ru/Ir) 기반의 고가 귀금속 촉매가 적용되고 있는데, 재료 원가가 비싸고 세계적으로 매장량도 제한적이다. 수전해 장치의 제작비용을 증가시켜 상용화에 걸림돌이 되는 주요 원인이다. 또한 장시간 사용 시 촉매 입자가 떨어지거나 응집되어 수전해 장치의 성능이 급격하게 떨어지는 문제점을 안고 있다.

이러한 문제의 해결을 위해 이중희 교수팀은 우수한 전기화학적 특성을 가지고 있는 철과 망간 전이금속이 결합된 니켈 층상 이중 수화물(Layered double hydroxide: LDH) 구조체를 만들어 표면적이 넓으면서도 복합화된 구조체 표면에 소량(1.4 wt%)의 백금 단원자 촉매를 흡착시키는 방법으로 저가이면서도 촉매 활성도가 매우 높은 수전해 촉매를 개발했다.

이번 연구 결과는 ‘Realizing the Tailored Catalytic Performances on Atomic Pt-Promoted Transition Metal Moieties Implanted Layered Double Hydroxides for Water Electrolysis’라는 제목으로 에너지소재 분야의 세계 최고 학술지인 『ACS Nano』의 최신호에 게재됐다.

개발된 촉매는 현재 상용화된 가장 우수한 촉매인 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 비교하여 질량당 약 15.45배 정도 매우 높은 촉매 활성을 보였고, 최적화된 전자 특성으로 인해 물을 분해하여 수소가스 발생 속도를 크게 높이는 효과를 나타냈다.

음이온 교환막 수전해 장치에 적용했을 때 1.0M 수산화 칼륨 용액을 사용하여 60℃에서 작동할 때, 단위 면적당 전류밀도 0.5A/cm2에서 전지전압이 약 1.79 V로 매우 낮은 전지전압 특성을 보였으며, 이는 지금까지 상용화된 음이온 교환막 수전해 장치 중에서 세계 최고수준의 성능을 보였다고 연구진은 밝혔다.(Enapter (독일): 전류밀도: 0.5 A/cm2,  전지전압: 1.95 V)

또한 개발된 음이온 교환막 수전해 장치는 600시간 이상의 장시간 구동 후에도 거의 성능 저하가 일어나지 않을 정도의 매우 우수한 내구성을 보였으며(시간당 67μV 감소), 이는 현재 수전해 관련 산업계가 필요로 하는 고효율과 고내구성을 동시에 충족해 학계는 물론 산업계에서도 큰 기대를 받고 있다.

이중희 교수는 “개발된 수전해 촉매는 현재 그린 수소의 대량 생산을 위한 핵심 원천기술이고, 해외 선진국에 비해 기술이 비교적 기술이 뒤져있는 우리나라의 수전해 장치 기술을 진일보 시키는데 크게 기여할 것”이라며, “이번 성과는 전 세계적으로 초기 연구단계에 있는 음이온 교환막 수전해 장치의 원천기술을 선점할 수 있다는 데 의미가 있고, 특히 산업계가 요구하는 높은 수소생산 비용과 효율을 해결할 수 있는 핵심소재 기술이기에 산업계에 미치는 파급 효과가 매우 클 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 전북대 나노융합공학과 이중희 교수와 김남훈 교수, 트란듀이 탄 교수팀과 트란 코아 당 박사과정생이 협업으로 이루어낸 성과다. 과학기술정보통신부의 나노탄소기반에너지소재 지역혁신선도연구센터 (RLRC) 사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

개발된 촉매기술은 해당 핵심연구원들이 창업한 벤처 기업인 (주)아헤스(AHES)에서 실제 수전해 장치에 적용해 상용화 기술을 확보할 계획이다.