KAIST, 수전해 효율 더 높일 초박막 나노시트 촉매 구조 개발

초박막 이리듐 나노시트(AI 생성 이미지·KAIST 제공) /뉴스1

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 값비싼 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다.

이번 연구의 핵심은 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트 구조를 적용해 기존 촉매의 효율과 내구성 한계를 함께 극복한 데 있다.

수전해 장치와 연료전지는 수소 에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심 기술이지만 촉매로 사용되는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)이 희귀하고 고가라는 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다.

기존 촉매는 작은 입자 형태여서 실제 반응에 활용되는 면적이 제한적이고 장시간 사용 시 성능 저하가 불가피했다.

연구팀은 알갱이처럼 뭉쳐 있던 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼쳐 수전해 촉매로는 지름 1~3마이크로미터, 두께 2나노미터 이하의 초박막 이리듐 나노시트를 개발했다. 같은 양의 이리듐으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘려 적은 금속으로도 더 많은 수소를 만들 수 있다.

또 전기가 잘 통하지 않아 촉매 지지체로 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 초박막 나노시트들이 서로 이어져 연결된 '전기가 다닐 수 있는 길'을 만들어 안정적인 촉매 받침대로 사용할 수 있게 됐다.

이렇게 만들어진 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐다. 실험실을 넘어 실제 산업 현장에 가까운 고부하 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다.

특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 보여 귀금속 사용량을 획기적으로 낮출 수 있음을 입증했다.

연구팀은 이 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용해 머리카락 두께의 수만 분의 1에 불과한 백금-구리 촉매를 만들어 반응 효율을 극대화했다. 이 촉매는 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 높았다. 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다.

특히 5만회 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지해 기존 촉매보다 뛰어난 내구성을 입증했다. 백금 사용량을 약 60% 줄이고도 동일한 성능을 구현하는 데 성공했다.

조 교수는 "값비싼 귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다"며 "이번 연구는 수소 에너지의 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 초박막 나노시트 구조를 공통 핵심 기술로 수소 생산용 촉매에, 연료전지용 촉매에 적용한 두 편의 논문으로 발표돼 국제 학술지 ACS 나노(Nano), 나노 레터스(Nano Letters)에 각각 게재됐다.

jongseo12@news1.kr

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