비싼 백금 대신 1나노 촉매로 그린수소 생산

- 1 nm 루테늄 표면이 계면 물 구조 제어…알칼리 수전해 난제 해결

루테늄 원자 구조에 따른 계면 물 구조 및 작동 중 표면 상태 모식도. (자료제공: 한국연구재단)

비싼 백금 촉매를 대신해 알칼리 수전해의 수소 생산 효율을 높일 새로운 촉매 설계 원리가 제시됐다. 국내 연구진은 약 1 나노미터(nm) 크기의 루테늄 나노클러스터가 반응 중 산화 표면을 유지하고, 이 표면이 촉매 주변 물 분자의 배열을 바꿔 수소 발생 반응을 촉진함을 밝혔다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 KAIST 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서울대학교 한정우 교수팀, 한국에너지공과대학교 김우열 교수팀, 한국과학기술연구원 조성기 박사팀과의 공동연구를 통해 루테늄 나노클러스터 촉매의 작동 중 표면 상태와 전극-전해질 계면 물 구조를 규명하고, 이를 바탕으로 음이온 교환막 수전해의 수소 생산 성능을 크게 향상시켰다고 7월 13일 밝혔다. 

물을 전기분해해 수소를 얻는 음이온교환막 수전해 기술은 알칼리 환경에서 작동해 저렴한 셀 소재와 비귀금속 산화극 촉매를 쓸 수 있어 그린수소 생산의 핵심기술로 주목받는다. 하지만 음극에서 일어나는 수소 반응은 물 분자를 먼저 쪼개 수소 중간체를 만드는 과정을 거쳐야 해, 산성 조건보다 반응 속도가 느린 한계가 있다. 

연구팀은 탄소 지지체 위에 루테늄을 담지하고 열처리 온도를 조절해 단일 원자, 약 1nm 서브나노미터 클러스터, 더 큰 나노클러스터까지 크기가 다른 촉매군을 합성하고, 루테늄 클러스터의 크기와 원자 구조에 따라 실제 반응 중의 표면 산화상태를 비교했다.

작동 중 X선 흡수분광 분석 결과, 약 1nm 루테늄 나노클러스터는 환원적인 수소 발생 조건에서도 루테늄-산소(Ru-O) 결합을 포함한 부분 산화 표면을 안정적으로 유지했다. 또한, 작동 중 적외선 분광 분석 결과 이 표면 상태가 반응 중간체 흡착 특성과 촉매 주변 물 분자 배열에 영향을 줘 알칼리 수소 발생 반응을 촉진함을 밝혔다.

루테늄 나노클러스터 촉매를 적용한 음이온 교환막 수전해 성능. (자료제공: 한국연구재단)

개발된 촉매는 초기 활성을 평가하는 반쪽 전지 평가에서 매우 낮은 전압(과전압 20mV)만으로도 반응을 일으켰으며, 귀금속 무게당 수소 생산 활성도 100 mV에서 11.05 A/mgNM로 매우 높았다. 

또한, 상용화 환경과 유사한 단일셀 평가에서 5.34 A/㎠의 높은 전류밀도를 달성하고, 실용 수준에 준하는 전류밀도인 1 A/㎠에서 400시간 이상 안정적으로 작동해 실제 장치 적용 가능성을 입증했다.

연구책임자인 이진우 교수는 “이번 연구는 루테늄 촉매의 크기와 원자 구조가 실제 작동 중 표면 산화상태와 계면 물 구조를 어떻게 바꾸는지 규명하여, 고성능 수전해 촉매 설계의 중요한 출발점이 되었다”며 “이번 연구에서 확인한 작동 중 표면 상태의 역할은 향후 고성능 알칼리 수전해 촉매 설계와 그린수소 생산 기술 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 설명했다. 

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노미래소재원천기술개발사업 및 그린수소기술자립프로젝트 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 6월 4일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]