친환경 수소 생산 기술의 핵심인 수전해 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 비귀금속 촉매 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국재료연구원(KIMS)은 철(Fe)을 활용한 원자 구조 제어를 통해 고성능 알칼라인 수전해 촉매를 구현하며 수소경제 실현에 한 걸음 다가섰다고 17일 밝혔다.

재료연 에너지·환경재료연구본부 수소전지재료연구센터 박다희 박사 연구팀은 몰리브덴 산화물(MoOx)의 일부 원자를 철로 치환하는 방식으로 촉매 내부의 격자 구조와 산소 결함을 동시에 조절하는 데 성공했다.

이 기술은 수전해 과정에서 가장 큰 에너지 손실이 발생하는 산소 발생 반응(OER)의 반응 속도를 크게 향상시키는 것이 특징이다.

수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 대표적인 친환경 기술이지만, OER 반응의 비효율성으로 인해 높은 전압과 에너지가 요구된다.

기존에는 이 문제를 해결하기 위해 귀금속 촉매가 사용됐으나, 높은 비용과 자원 한계로 상용화에 제약이 있었다.

이에 연구진은 저렴하고 풍부한 철과 몰리브덴을 활용한 새로운 촉매 설계에 주목했다.

연구팀은 에어로졸 분무 열분해 공정을 적용해 철이 치환된 몰리브덴 산화물 촉매를 단일 공정으로 합성했다.

이 과정에서 형성된 철-산소-몰리브덴 결합 구조는 촉매의 전기전도성을 높이고, 장시간 사용에도 구조적 안정성을 유지하는 데 기여했다.

또한 열처리 조건을 정밀하게 조절해 격자 왜곡과 산소 빈자리를 동시에 유도함으로써 반응 활성 지점을 대폭 늘렸다.

특히 촉매 내부에 코어-쉘 및 요크-쉘 형태의 다공성 구조가 형성되면서 전극과 전해질의 접촉 면적이 확대됐고, 격자 산소가 직접 반응에 참여하는 메커니즘이 활성화돼 산소 발생 반응 효율이 크게 개선됐다.

그 결과 높은 전류 밀도 조건에서도 낮은 과전압을 유지하며 100시간 이상 안정적인 성능을 기록했다.

이번 연구 성과는 대규모 알칼라인 수전해 시스템에 적용 가능한 실용 기술로 평가받고 있다.

귀금속 촉매를 대체할 수 있는 가능성을 제시함으로써 수소 생산 비용 절감과 탄소중립 사회 구현에 기여할 것으로 기대된다.

박다희 선임연구원은 “저가 금속의 원자 배열과 결함을 동시에 제어해 촉매 성능을 극대화한 사례”라며 “향후 다양한 전기화학 에너지 변환 기술로 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 ChemSusChem에 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정돼 기술적 우수성을 인정받았다.