▲ 실시간 라만분광법 분석기반 촉매활성점 및 수소발생 메커니즘 규명

물에서 수소를 얻는 친환경 연구가 활발한 가운데 수전해 과정에 쓰이는 촉매의 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 방법이 국내 연구진에 의해 소개됐다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 전기준 교수(인하대학교 환경공학과)연구팀이 수전해 과정에 필요한 고가의 백금 촉매를 대신할 저가형 촉매를 제안했다고 3일 밝혔다.

그린수소 에너지에 대한 관심이 높아지며 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 기술에 대한 연구가 활발하다. 수전해를 돕는 촉매로 백금의 우수성은 잘 알려져 있었으나 경제성 문제로 상용화가 어려웠다.

연구팀은 백금에 아닐린을 첨가한 백금-아닐린 복합체를 채택, 백금 함량을 기존 음극재(백금 10%)대비 5000분의 1 수준으로 낮췄다. 이를 토대로 황(S)을 도입한 양자점 형태의 이황화백금(PtS2)촉매를 디자인해 전기적 효율과 안정성을 모두 개선했다.

한편 연구팀은 촉매를 기판에 붙이는 별도 공정 대신 기판 위에 직접 이황화 백금을 성장(화학기상증착법)시키는 방법을 고안했다.

수전해 반응 중 기판과 촉매를 연결하는 바인더의 접착효과가 떨어지면서 안정성이 저하되는 것을 막기 위해 바인더 자체가 필요 없도록 만든 것이다. 실제 이렇게 제작한 티타늄카바이드 기판은 기존 이산화티타늄 기판에 비해 전기저항이 약 12배 감소했다.

실제 티타늄카바이드 기판에 이황화 백금을 적용한 음극전극을 적용한 결과, 기존 백금 촉매적용 음극과 거의 동일 수준의 수소생산 효율을 보였다. 또한 강산 용액의 극한 환경에서도 60시간 이상 수준을 유지할 정도로 우수한 안정성을 보였다.

전기준 교수 연구팀은 “높은 촉매 비용과 낮은 내구성은 대용량 수소생산과 상용화에 큰 난제”라며 “수전해용 귀금속계 촉매를 대체재를 만들기 위해 저렴한 합성공정과 촉매의 높은 내구성 및 활성도, 기판(박막)개발 등 하나의 전극이 제안되어야 한다”고 말했다.

또 “사용 백금 촉매의 함량을 크게 낮추면서도 유사한 촉매활성도를 보이는 이황화 백금·티타늄카바이드 전극을 개발, 티타늄 카바이드 기판에 합성되었기 때문에 실제 수전해 스택에서도 우수한 성능을 보여줄 것으로 기대된다”고 말했다.

연구팀은 더 안정적이고 효과적인 수소생산을 위한 저가형 음극재 개발연구 및 실제 수소생산용 스텍에 적용·연계를 추진할 예정이다.

한편 이번 연구의 성과는 에너지 및 환경 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B:엔바이런먼탈’에 4월 15일에 게재됐다.