▲ 에어로졸 분무 열분해 공정을 통한 철(Fe) 치환 몰리브덴 산화물(MoOx) 수전해 촉매 합성 및 성능 향상 모식도

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)이 철(Fe) 치환 기술을 활용해 비귀금속 기반 수전해 촉매의 성능을 획기적으로 끌어올렸다. 값비싼 귀금속을 대체하면서도 높은 효율과 안정성을 확보한 촉매 설계 전략을 제시해 수소경제 실현을 앞당길 것으로 기대된다.

한국재료연구원은 에너지·환경재료연구본부 수소전지재료연구센터 박다희 박사 연구팀이 몰리브덴 산화물(MoOx)의 일부를 철(Fe)로 치환해 알칼라인 수전해의 핵심 반응인 산소 발생 반응(OER) 성능을 크게 향상시키는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

수소는 대표적인 청정에너지원으로, 물을 전기 분해해 생산하는 ‘수전해’ 기술이 차세대 에너지 솔루션으로 주목받고 있다. 다만 수전해 과정에서 OER 반응은 속도가 느리고 높은 에너지를 요구해 전체 효율을 저해하는 병목 구간으로 꼽힌다. 현재는 귀금속 기반 촉매가 주로 사용되지만, 높은 가격과 자원 한계로 인해 비귀금속 대체 기술 개발이 지속적으로 요구돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 몰리브덴 산화물 구조 내에 철을 도입하는 ‘치환 전략’을 적용했다. 이를 통해 원자 배열과 산소 결함을 동시에 제어, 전자 이동성을 높이고 반응 활성 지점을 효과적으로 확장했다.

특히 에어로졸 분무 열분해 공정을 활용해 단일 공정으로 Fe 치환 MoOx 촉매를 합성했으며, 이 과정에서 형성된 Fe-O-Mo 이종 결합 구조는 촉매의 구조적 안정성을 크게 높였다. 장시간 구동에도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 확보한 것이다.

또한 열처리 조건을 정밀하게 조절해 격자 왜곡과 산소 빈자리를 동시에 유도하고, 코어-쉘 및 요크-쉘과 같은 다공성 구조를 형성했다. 이 구조는 반응 면적을 극대화하고 전기전도성을 향상시키는 역할을 한다.

아울러 격자 산소가 직접 반응에 참여하는 LOM(Lattice Oxygen Mechanism)이 활성화되면서 OER 반응 효율이 크게 개선된 것으로 확인됐다. 그 결과, 100mA/㎠의 높은 전류 밀도에서도 약 294mV의 낮은 과전압으로 100시간 이상 안정적으로 작동하는 고성능 촉매 구현에 성공했다.

이번 성과는 알칼라인 수전해 시스템의 핵심 소재로 활용될 가능성이 크다. 특히 대규모 수소 생산 공정에서 효율 향상과 비용 절감을 동시에 달성할 수 있어 수소경제 확산에 기여할 것으로 기대된다.

박다희 선임연구원은 “저렴한 금속의 원자 구조와 결함을 동시에 설계해 촉매 성능을 극대화한 사례”라며 “향후 다양한 전기화학 에너지 변환 반응으로 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단 글로벌영커넥트 사업과 산업통상자원부 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 촉매·에너지 분야 국제 학술지 ChemSusChem에 2월 12일 온라인 게재된 데 이어 3월호 표지논문으로 선정됐다.