[쿠키과학] '비싼 이리듐·백금 촉매 덜 쓴다'... KAIST, 초박막 2차원 나노시트 촉매 개발

초박막 이리듐 나노시트 초박막 구성도. KAIST

수소를 만드는 촉매와 전기를 생산하는 촉매의 병목인 이리듐·백금 사용량을 60% 수준으로 줄이면서 성능과 내구성을 동시에 끌어올리는 촉매 구조가 나왔다.

KAIST 조은애 교수팀은 알갱이 촉매 대신 초박막 2차원 나노시트로 설계해 고가의 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이면서 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다.

수전해 장치와 연료전지는 수소경제의 핵심이지만 촉매로 쓰이는 이리듐과 백금이 비싸 상용화에 걸림돌이 됐다.

또 기존 촉매는 만들기 쉬운 나노입자가 주류로, 이는 실제 반응하는 표면적이 제한적이고 성능이 떨어진다.

연구팀은 입자 형태의 촉매를 2차원 매트처럼 펴는 방식을 적용했다.

이에 수소 생산 부분은 가로 1~3㎛, 두께 2㎚ 이하의 초박막 이리듐 나노시트로 제작하고, 이를 산화티타늄(TiO₂) 위에 펼쳐 올렸다.

TiO₂는 안정적이지만 전기가 잘 안 통해 촉매 지지체로 쓰기 까다로운 소재지만, 나노시트가 서로 이어지며 전자의 이동통로를 스스로 만들도록 설계했다.

실험 결과 이를 적용하면 동일 조건에서 수소 생산속도는 38% 증가했고, 실제 장치 구동에 가까운 1A/㎠ 조건에서 1000시간 안정적으로 작동했다.

초박막 이리듐 나노시트 촉매 제작과정과 초박막 촉매 투과전자현미경 사진. KAIST

또 이리듐 적재량을 최대 65% 줄여도 기존 촉매와 비슷한 성능을 유지했다.

연구팀은 이 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용했다.

연료전지 촉매는 두께 1㎚ 수준의 백금-구리(PtCu) 초박막 나노시트로 만들어 백금 무게당 성능은 약 13배, 실제 연료전지 셀 출력은 약 2.3배 향상됐다.

특히 5만 회 가속 내구도 시험에서 초기 성능의 65% 수준을 유지했다.

초박막 이리듐 나노시트 합성 모식도. KAIST

조 교수는 “값비싼 귀금속을 훨씬 적게 쓰면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 구조를 제시했다”며 “이는 수소에너지 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 전환점이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구결과는 초박막 나노시트 구조를 공통 핵심 기술로, 수소 생산용 촉매와 연료전지용 촉매에 적용한 두 편의 논문을 발표했다.

이리듐 나노시트 연구는 KAIST 신동원 박사과정이 제1저자로 수행해 지난달 국제학술지 ‘ACS Nano(IF 16.0)’에 게재됐다.
(논문명: Ultrathin Iridium Nanosheets on Titanium Oxide for High-Efficiency and Durable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, DOI: 10.1021/acsnano.5c15659)

백금-구리 나노시트 연구는 KAIST 이상재 박사와 양현우 박사과정이 공동 제1저자로 참여해 국제학술지 ‘Nano Letters(IF 9.6)’에 게재됐다.
(논문명: Ultrathin PtCu Nanosheets: A New Frontier in Highly Efficient and Durable Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c04848)

(왼쪽부터)양현우 박사과정, 이상재 박사, 조은애 교수, 신동원 박사과정. KAIST