머리카락 굵기보다 수천 배 얇은 두께 코팅으로

‘빠르고 오래가는’ 수전해 촉매 구현!

재료硏, 초박막 표면 코팅으로 성능·내구성 동시에 높인 수전해 촉매 기술 개발

# 페로브스카이트 촉매에 5나노미터 초박막 수산화물 코팅 적용해 촉매 활성 향상과 구조 열화 억제 동시 구현

# 실제 수전해 장치에서 기존 대비 약 1.9배 높은 성능과 1,000시간 장기 안정성 입증...간단하고 확장 가능한 표면공학 기술로 대면적·산업용 수전해 적용 가능성 제시

ㅇ 한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 수소·전지재료연구센터 양주찬 박사 연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 기계공학과 안지환 교수 연구팀과 공동으로, 수전해 촉매 표면에 약 5나노미터(nm) 두께의 초박막을 코팅해 촉매의 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다. 간단한 표면처리만으로 기존 촉매의 성능을 약 2배 높이고 실제 수전해 장치에서 1,000시간의 장기 안정성까지 확보해, 수소를 더 효율적으로 생산하면서 촉매는 오래 사용할 수 있는 가능성을 열었다. 향후 고효율·장수명 수전해 시스템 개발을 앞당겨 친환경 그린수소의 안정적인 생산과 보급에 기여할 것으로 기대된다.

ㅇ 수전해는 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 기술로, 재생에너지와 결합하면 탄소 배출을 줄이면서 수소를 생산할 수 있다. 이때 물에서 산소가 만들어지는 ‘산소 발생반응(OER)’은 반응 속도가 느려 이를 빠르게 해주는 고성능 촉매가 필요하다. 특히 페로브스카이트 촉매는 반응 성능이 뛰어나지만, 오래 사용하면 촉매를 이루는 금속 성분이 조금씩 빠져나가 구조가 무너지고 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 즉, 반응 성능을 높이면 내구성이 떨어지고, 오래 사용할 수 있도록 안정성을 높이면 반응 성능이 낮아지는 ‘활성-내구성 상충관계’를 해결하는 것이 핵심 난제로 꼽혀왔다.

ㅇ 연구팀은 페로브스카이트 촉매 표면에 약 5nm 두께의 니켈·철 기반 수산화물(NiFe(OH)x)을 코팅해, 촉매의 높은 반응 성능은 끌어올리고 장시간 사용에 따른 구조 열화는 억제하는 데 성공했다. 코팅층의 두께는 머리카락보다 수천 배 이상 얇은 수준이다. 특히 촉매를 용액에 담갔다가 건조하는 간단한 방법만으로 코팅층을 만들 수 있으며, 음이온교환막 수전해(AEMWE) 장치에서 기존 촉매 대비 약 1.9배 향상된 성능을 구현했다.

ㅇ 핵심은 이 초박막 코팅층이 단순한 ‘보호막’을 넘어 촉매의 반응을 돕는 ‘활성층’ 역할까지 한다는 점이다. 코팅층과 기존 촉매가 맞닿는 경계면에서 전자의 이동이 원활해지면서 산소 발생반응이 빨라지는 동시에, 반응 과정에서 생성되는 물질이 촉매 내부로 과도하게 침투하거나 금속 성분이 빠져나가는 것을 막아 구조가 무너지는 현상을 억제했다. 연구팀은 실시간 분석과 이론계산을 통해 이러한 작동 원리를 밝히고, 촉매의 금속 성분이 녹아 나오는 ‘용출’과 다시 표면에 붙는 ‘재침착’의 균형이 유지되면서 장시간에도 촉매 구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다. 1,000시간의 장기 운전 후에도 초박막 코팅층이 안정적으로 유지돼 촉매의 우수한 장기 내구성을 입증했다.

ㅇ 이번 연구는 단순히 코팅을 통해 촉매 성능을 높이는 데 그치지 않고, 촉매의 성능과 수명이 동시에 향상되는 작동 원리까지 규명했다는 데 의미가 있다. 또한 복잡하거나 고가의 공정 대신 용액 기반의 간단한 표면처리 방식을 활용해 향후 대면적 전극과 산업용 수전해 시스템으로의 확장 가능성을 제시했다. 이를 통해 고효율·장수명 그린수소 생산 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다.

ㅇ 연구책임자인 KIMS 양주찬 책임연구원은 “이번 연구는 기존 고성능 촉매를 새롭게 만드는 대신 간단한 표면처리로 한계를 보완할 수 있는 실용적인 접근법을 제시했다”며, “향후 대면적 전극과 실제 수전해 시스템으로 기술을 확대해 그린수소 생산의 효율과 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다. 공동 교신저자인 POSTECH 안지환 교수는 “촉매 열화의 원인을 분석하고 이를 억제할 수 있는 계면 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며, “이번 표면공학 기술은 수전해뿐만 아니라 다양한 전기화학 에너지 변환 시스템의 촉매 안정성을 높이는 데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

ㅇ 이번 연구 성과는 국가과학기술연구회, 한국연구재단 및 한국에너지기술평가원의 국가연구개발사업 지원을 받아 수행됐으며, 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨팅 인프라를 활용해 이론계산 연구를 수행했다. 관련 연구결과는 에너지 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 25.5)’에 게재됐으며 연구 성과의 우수성을 인정받아 해당 학술지의 뒷표지 논문으로 선정됐다.

* 논문(Advanced Energy Materials) DOI 주소 : https://doi.org/10.1002/aenm.71133

출처 : 한국재료연구원 언론보도/연구성과(26.10.07.)