귀금속 촉매 의존이 불가피했던 수전해 산업에서 비귀금속 기반 고효율 촉매가 제시됐다. 음이온 교환막 수전해(AEMWE)에 최적화된 산소 발생(OER) 촉매가 단위 셀 수준에서 성능과 내구성을 동시에 검증받으면서, 저비용 그린수소 생산 기술의 상용화 가능성이 확대됐다는 평가다.

2월 25일 한국재료연구원(KIMS)은 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 국립창원대학교 이승화 교수 연구팀과 공동으로 층상 구조의 비귀금속 OER 촉매를 독자 설계·개발했다고 밝혔다.

AEM 수전해는 알칼리 조건에서 작동해 상대적으로 저렴한 촉매를 적용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 실제 시스템에서는 장시간 안정적으로 구동 가능한 비귀금속 촉매가 부족해 귀금속 의존을 완전히 해소하지 못했다. 기존 전이금속 촉매는 구조 붕괴와 금속 용출, 활성 저하 등 내구성 한계를 드러냈다.

연구팀은 코발트·철 기반 옥시수산화물(CoFeOOH)을 층상 구조로 설계하고, 촉매 활성 표면의 전자 구조와 반응 경로를 동시에 제어하는 전략을 도입했다. 특히 철 도핑을 통해 코발트 중심의 전자 상태를 조절하고, 반응 중간체의 흡착·탈착 단계에서의 에너지 장벽을 낮췄다. 이로써 낮은 과전압에서도 높은 전류 밀도를 구현했다.

또한 도핑 과정에서 발생할 수 있는 부식과 구조 붕괴를 억제하기 위해 촉매 표면에 화학적 산화 처리를 적용했다. 그 결과 장시간 운전 조건에서도 구조적 안정성을 유지하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 해당 촉매를 음이온 교환막 수전해 단위 셀에 직접 적용해 반쪽 전지 수준을 넘어 실제 시스템 환경에서 성능과 내구성을 검증했다. 이는 비귀금속 OER 촉매의 실질적 적용 가능성을 입증한 사례로, 귀금속 사용을 최소화한 수전해 시스템 구축에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

연구책임자인 최승목 책임연구원은 비귀금속 촉매의 한계를 구조 설계로 극복한 사례라고 설명하며, AEM 기반 그린수소 생산 기술의 상용화를 앞당기기 위한 후속 연구를 이어갈 계획이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 국가수소중점연구실 ‘H2 NEXT ROUND’ 등 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS Nano’에 2025년 12월 1일자로 온라인 게재됐다.