▲ 개발된 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔 기반 전기촉매의 합성 공정 모식도

친환경 그린수소 생산의 수전해 기술에 적용될 3차원 에어로겔 기반 나노 기공구조를 적용 고성능 전기촉매가 개발됐다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 박형호 교수(연세대) 연구팀이 새로운 고성능 수소 발생 촉매 소재로 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔 소재를 개발했다고 11일 밝혔다.

이러한 수소발생 촉매는 그린수소를 얻는 수전해 과정에 필수요소다. 그간 유일하게 상용화된 전기촉매인 백금·탄소(Pt/C)는 높은 촉매특성을 나타내지만 사용시간이 늘어나며 해당 탄소가 분해 혹은 산화되어 성능이 심각하게 떨어졌다.

또 연구되어온 금속산화물들은 낮은 전기전도도와 작은 비표면적 등으로 고효율 촉매 특성 확보에 어려움이 있었다.

연구팀은, 에어로겔 구조를 갖는 주석산화물을 합성한 뒤 불소 도핑을 통해 높은 전기전도도를 보유한 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔을 합성했다.

나노기공구조를 갖는 에어로겔은 수 나노 크기의 입자가 3차원 구조를 형성, 높은 기공률과 큰 비표면적을 구현할 수 있는 구조다. 연구진이 개발한 에어로갤은 약 20g만으로도 축구장 면적을 덮을만큼 큰 비표면적을 갖는 소재로 나노구조와 표면활성을 극대화할 수 있다.

또 개발한 에어로겔을 전기촉매의 구조 지지체로 적용하고 백금 나노 클러스터를 복합화해 강한 분자간 힘을 바탕으로 전하의 이동을 극대화했다.

그 결과 기존 백금·탄소 촉매 대비 약 22배의 수소변환 효율과 5.4배의 내구성을 갖게됐다. 기존 촉매보다 5mV 작은 작동 전압을 갖고, 금속 산화물 지지체 사용 전기 촉매 중 최고 수준이다.

연구진은 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 줄여 저렴하고 효율이 높은 촉매와 내구성을 확보했으며 친환경 미래 에너지 도입과 탄소 저감 가능성을 기대하고 있다.

한국연구재단은 용액 공정에서 효과적으로 불소를 도핑할 수 있는 기술을 확보했고, 촉매뿐 아니라 큰 비표면적과 높은 전기전도도가 모두 필요한 센서, 디스플레이, 연료전지, 열전 분야전극소재 등으로 적용이 가능할 것으로 전망된다고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과기부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 1월 4일 온라인에 게재됐다.